Антропогенное воздействие на почвы в различных условия мегаполиса

Управление образования

ГККП «Станция юных натуралистов»

Государственное учреждение «Гимназия № 60»

Антропогенное воздействие на почвы в различных условия мегаполиса

Направление – Экология города  

Амлаты, 2011г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В связи с постоянным ростом мегаполисов и усиливающимся загрязнением окружающей среды, возникла реальная угроза устойчивости городских экосистем. Негативному воздействию урбанизации подвергаются не только флора и фауна, но и почвы, которые являются неотъемлемой частью городской экосистемы. В Алматы уделяется большое внимание оценке загрязнения воздушного бассейна, загрязненности местных рек и плохо изучена проблема деградации почвенного покрова города. Под влиянием городских условий формируются особые антропогенно-измененные почвы - урбаноземы, ранее называемые почво-грунтами, которые по свойствам, как было показано авторами /1, 2/ значительно отличаются от зональных почв. Почвы городов существенно отличаются от природных. Они переуплотнены, почвенные горизонты перемешаны и обогащены строительным мусором, бытовыми отходами, из-за чего имеют более высокую щелочность, чем природные их аналоги. Почвенный покров крупных городов отличается также и высокой контрастностью, неоднородностью из-за сложной истории развития города, перемешанности погребенных разновозрастных исторических почв и культурных слоев. Негативное влияние условий города на зеленые насаждения проявляется через изменения свойств почв, через загрязнение атмосферы и грунтовых вод, повышенный уровень шума, а также через механические повреждения. Естественный почвенный покров на большей части городских территорий уничтожен. Почти нет в почвах городов таких полезных и непреметнных членов почвенного населения, как дождевые черви. Нередко городские почвы стерильны почти до метровой глубины. А ведь именно почвенные бактерии переводят мертвые органические остатки в форму, удобную для усвоения корнями растений. Ухудшает качество почв уборка снега с тротуаров и проездов приводит к увеличению глубины промерзания почвы и угнетению корневой системы растений.

Но в городе Алматы остаются еще островки природы, на которые воздействие урбанизации было минимальным. К таким островкам можно отнести территории парков, ботанического сада, рощи Баума, территория Станции юных натуралистов. Возникают вопросы: что происходит с перечисленными почвами, находящихся на территории мегаполисов.

Исследования этих территорий можно поставить на службу улучшения экологии города. Для этого они располагают богатейшими коллекциями растений и уникальными образцами почв, создававшимися в течение многих десятилетий. Проводимые исследования на таких «островках природы» и вырабатываемые рекомендации можно применять к городу в целом.

Очень важен комплексный подход к решению этих задач, так как только сотрудничество экспертов в различных разделах науки: биологии, почвоведении, экологии, климатологии сможет обеспечить научный подход к проблемам экологии города.

Актуальность исследования почвенного покрова городских почв  и городских «островков природы» обусловлена сравнительным изучением городских почв с практически полным отсутствием знаний о почвах, сформированных в специфических условиях городских садов.

Результатом этих условий является формирование почв, которые отличаются по своим свойствам как от собственно городских почв - урбаноземов, так и от окультуренных сельскохозяйственных почв. Кроме того, почвы несут историческую информацию о культуре земледелия и об особенностях формирования искусственного почвенного покрова на протяжении последних трех веков.

Основной практической целью подобных исследований является создание благоприятной среды существования и для растения, и для животного мира, и для человека. Изучение почв городских парков, ботанических садов, станций может принести большую пользу при создании новых и реконструкции уже существующих насаждений. Город представляет собой необычное для растений местообитание. Прав был немецкий лесовод А. Гейер, говоря, что «...в таких жестких условиях вообще следовало бы из милосердия отказаться от деревьев, да не может человек без них обойтись...» (цит. по Фролов, 1998) /3/.

Понимая всю необходимость таких исследований нами были изучена почва Станции юных натуралистов, гимназии №60 и для сравнительной характеристики изучался целинный участок.

Цель работы. 

1.              Изучить современное состояние почвы на антропогенных участках (Станция юных натуралистов и Гимназия №60).

2.              Изучить современное состояние почвы на целине.

3.              Дать сравнительный анализ двум городским почвам находящимся в различных антропогенных условиях.

Основные задачи исследований.

1.              Определение основных свойств почв Станции юных натуралистов, гимназии №60 и целины (морфологические, физические, химические).

2.              Определение состава почвенной мезофауны на территории Станции юных натуралистов, гимназии №60 и целины.

3.              Составить коллекцию собранного материала мезофауны.

Новизна исследований.

1.              Впервые исследованы антропогенные (антропогенно-измененные и искусственно-созданные) почвы городской Станции юных натуралистов и гимназии №60.

2.              Выявлено разнообразие почвенной мезофауны антропогенных почв Станции юных натуралистов, гимназии№60 и целины.

Работа изложена на 20 страницах компьютерного текста, иллюстрирована: 4 фотографиями, 7 диаграммами, содержит 3 таблицы. Использовано 24 литературных источников.

1 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Первый опытный участок, на котором проводились исследования, расположен на территории Государственной станции юных натуралистов. ГСЮН расположена на предгорной равнине северного склона Заилийского Алатау на высоте 1000-1050м над уровнем моря. Рельеф ровный, с небольшим уклоном на северо-восток, удобным для орошаемого земледелия. На этом участке в течение 30 лет возделываются овощные культуры.

Второй опытный участок расположен в верхней части города на территории гимназия №60, которая  была построена в микрорайоне "Орбита" и открыта с  1 сентября 1973 года.

Третий - целинный участок расположен в близь поселка Каскелен. Рельеф ровный. Этот опытный участок ни обрабатывался, и не был тронут рукой человека.

Перед закладкой опытов были отобраны исходные почвенные образцы для определения современного состояния почвы. Образцы отбирались методом сплошных колонок по почвенным горизонтам, включающие пахотный для определения физических, физико-механических, химических, агрохимических свойств почвы. Использованы методическое руководство по химическому анализу Е.В. Аринушкиной /4/ и лабораторно–практические занятия по почвоведению Л.Н. Александровой и О.А. Найденовой /5/.

Механический состав определялся полевым методом; Микроагрегатный состав – по Качинскому; влажность, влагоемкость – весовым методом; гумус – по Тюрину; общий азот – по Къельдалю; гидролизуемый азот – по Тюрину-Кононовой; валовой фосфор - по Гинзбургу и Щегловой с последующим определением на спеколе; подвижный фосфор – по Мачигину в модификации Грабарова с последующим определением на ФЭК-56; валовой калий – по Мачигину в модификации Грабарова с последующим определением на пламенном фотометре FLAPHO 4 (1981).

Были отобраны зоологические образцы для определения современного состава мезофауны почвы. Материал собран по стандартной методике почвенно-зоологических исследований - метод ручной разборки почвенных проб /6/ (Фото 1). Пробы отбирались с поверхности, 0-5, 5-10см, 10-15см, 15-20см слоев. Расчет численности мезофауны произведен на площадь почвы в один кв.метр.  Это прямой метод учета, позволяющий исследователю получить цифры, показывающие количество учитываемых объектов на единицу площади поверхности почвы, либо на единицу объема почвы. Одновременно исследуется таксономический состав мезофауны. Животных собирали отдельно из каждой пробы и слоя. В качестве фиксатора использовался 70% спирт. Всех найденных при раскопках животных тут же в полевых условиях записывали в дневник с той точностью определения, которая была доступна.

Автор выражает признательность  преподавателю биологического факультета КазНУ им. Аль-Фараби к.б.н., профессору Даутбаевой К.А. за помощь в освоение методики и при обработке собранного материала.

На основании полученных данных были составлены таблицы встречаемости животных.

Фото1- Ручной отбор почвенной мезофауны

2 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

2.1 Климат

Климат предгорной зоны, где проводились исследования, резко континентальный. Отличается большими суточными и годовыми колебаниями температуры воздуха, холодной зимой и продолжительным жарким летом.

Минимальных величин температура достигает в январе. Максимум относительной влажности воздуха приходится на декабрь – февраль. В теплый период года относительная влажность воздуха с нарастанием температур быстро падает. Самым влажным месяцем в весенний период является апрель.

Летом благодаря сильной инсоляции, ясности неба и сухости воздуха, последний прогревается и формируется сухой тропический воздух. Июль –самый жаркий месяц, его средняя температура колеблется в пределах 24-26°С, а абсолютные максимумы достигают 37-43°С. Минимум осадков приходится на август – сентябрь, максимум осадков приходится на октябрь или ноябрь. Продолжительность теплого периода достигает 240-275 дней, средняя продолжительность безморозного периода составляет 140-170 дней. Появление снежного покрова обычно отмечается 10-15 ноября  /7/.

2.2 Рельеф

Заилийский Алатау является одним из наиболее крупных хребтов северной цепи Тянь-Шаня. Хребет Заилийского Алатау, простираясь с запада на восток, образует широкую дугу, обращенную выпуклостью на юг. Длина его около 380км, ширина его 30-40км.  Высота хребта в наиболее возвышенной части – 4973м над у.м. /8/.

Для рельефа Заилийского Алатау характерна широкая полоса предгорий или прилавков. Предгорный комплекс рельефа свойствен территории, где тектонические движения (поднятия и опускания) сочетаются с процессами эрозии и аккумуляции. Эти предгорные и равнинные типы рельефа денудации и аккумуляции. На северном склоне Заилийского Алатау развита широкая полоса с наклонными плоскими поверхностями (прилавками), ступенчато спускающаяся к предгорной равнине. /9/.

2.3 Растительность             

Растительность Заилийского Алатау представлен 266 видами. Естественный растительный покров на темно-каштановых почвах предгорий - травянистый и представлен: ковыльно-типчаковыми группировками (ковыль, типчак), обычно с ксерофильным разнотравьем (шалфей, подмаренник, астрагал, ворсянка), сухостепными кустарниками (спирея), полукустарниками (некоторые виды полыни) и саванноидными травами – эфемерами и эфемероидами (костер, осочка, мятлик, мартук). Видовой состав растений предгорий изменен хозяйственной деятельностью человека. /9/

В предгорной зоне на темно-каштановой почве может возделываться широкий ассортимент зерновых, овощных, бахчевых, технических и кормовых культур. Возделывают плодово-ягодные культуры и виноградники.

2.4 Почва

Темно-каштановые почвы распространены в юго-западной и северо-восточных частях Алматинской области. В северо-восточной части Алматинской области в Джунгарском Алатау темно-каштановые карбонатные почвы распространены на 483,5тыс. га. На севере и северо-западе названного горного массива они образуют почти сплошной пояс шириной 20-25км, и распространяются на юго-восточном склоне. Темно-каштановые карбонатные почвы имеют полноразвитый почвенный профиль, ясно дифференцированный на генетические горизонты. Содержанием гумуса в 0-10см слое 3-4%, валового азота - (0,11-0,27%), валового фосфора (0,11-0,17%). По всему профилю имеются соли карбонатов кальция,  в карбонатно-иллювиальном горизонте их содержание 5-9%, рН 6,5-7,5. Темно-каштановые почвы, расположенные на юго-западе Алматинской области, относятся к низкогорной и предгорной степной зоне. Горные темно-каштановые почвы восточной и западной частях Алматинской области и занимают 274,1тыс. га. На Кетменском хребте горные темно-каштановые почвы чаще встречаются в сочетании с горно-степными почвами. Гумуса в них содержится 3,05%, азота – 0,18%, соотношение С: N – 8,7, горные темно-каштановые почвы богаты питательными элементами и более подвержены эрозии.

В пределах Заилийского Алатау полосой с востока на запад распространены темно-каштановые почвы предгорных равнин. В юго-западной части Алматинской области находится 143,5тыс.га Темно-каштановые почвы предгорных равнин бывают карбонатными и выщелоченными: карбонатные темно-каштановые почвы составляют 79,6тыс.га, выщелоченные – 4,5тыс.га, также встречаются эродированные – 59,4тыс.га, в последние годы площади эродированных почв значительно увеличились в условиях орошаемого и богарного земледелия. Грунтовые воды залегают глубоко, поэтому среди темно-каштановых почв не встречаются солонцеватых и засоленных видов. Содержанию гумуса – 3,05%, азота – 0,161%, С: N – 10,9.

Массивы темно-каштановых почв, имеющие благоприятный климатический потенциал, большое количество тепла, света, продолжительный вегетационный период и богатую растительность являются хорошими пахотно-пригодными землями. Темно-каштановые почвы хорошо обеспечены питательными элементами и – составляют лучшие богарные земли /10/.

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЫ СТАНЦИИ ЮНЫХ НАТУРАЛИСТОВ, ГИМНАЗИИ №60 И ЦЕЛИНЫ.

3.1 Физические свойства почвы

Микроагрегатный состав. Исследуемые почвы опытных участков – темно-каштановые, развитые на лессовидных суглинках, по классификации Качинского /11/, являются средне и тяжелосуглинистыми. Для определения физических и  химических свойств почву отбирали с глубины пахотного слоя: 0-10см, 10-20см, 20-30см.

Микроагрегатный анализ (таблица 1). В почвах станции юных натуралистов агрономически ценные агрегаты < 0,25 составляют 67,8 %, на пришкольном участке 48,4% и на целине 42%.

Таблица 1

Микроагрегатный состав почв

Причиной такой разницы является ежегодная ручная обработка почвы на станции юннатов, которая благотворно влияет на почву.

Водопроницаемость является одним из важных показателей свойств почвы. По градации Н.А. Качинского /11/, водопроницаемость на участке станции юннатов хорошая (67,31-73,75мм/мин за 1 час опыта). Объемный вес в верхнем (0-10см) слое 1,21 г/см3. Увеличение объемного веса произошло за счет орошения.

Водопроницаемость на пришкольном участке за 1 час опыта была 25,00-28,75мм/мин. Водопроницаемость этого варианта характеризуется как удовлетворительная. Это объясняется изменением структурного состояния почв из-за антропогенного воздействия, в результате которых забиваются микропоры и макропоры. Исследования объемного веса  в верхнем (0-10см) слое 1,13 г/см3.

Водопроницаемость на целине 175мм/мин, по градации считается наилучшей. Объемный вес 1,19 г/см3.

На величину плотности сложения почвы влияют: механический состав почв, содержание органического вещества, структурность, полив, объем корневой массы, обработка.

Следовательно, изучение физических свойств почвы гимназии выявило увеличение плотности сложения  верхних корнеобитаемых слоев и как следствие - снижение степени порозности и аэрации. Увеличение плотности твердой фазы верхних органогенных горизонтов может быть связано с наличием тонких мелкодисперсных частиц техногенного происхождения на поверхности почвы. Тогда как почва станции юных натуралистов практически мало изменилась от своих целинных аналогов и даже улучшила свои качества. Возможно, это произошло за счет ежегодной ручной обработки и внесения в почву органических удобрений.

3.2 Химические и агрохимические свойства почвы

Как известно, в формировании почвенного плодородия ведущая роль принадлежит гумусу, содержание, запасы и состав которого определяют все агрономические свойства и продуктивность почвы /13/.

Станция юных натуралистов. Максимальное содержание гумуса зафиксировано в верхнем слое почвенного профиля (таблица 2, диаграмма 1). По содержанию гумуса почвы Станции содержат достаточное количество – 4,34%, что соответствует литературным данным /14, 15, 16/.

Таблица 2

Xимический состав почв

Содержание усвояемых форм азота, фосфора и калия может сильно изменяться в пределах каждого типа почвы, в зависимости от степени окультуренности участка. На каштановых почвах предгорий Заилийского Алатау, содержание подвижного фосфора может колебаться от 10 до 70 мг и более, обменного калия от 100 до 400 мг и нитратов от 10 до 50 мг на 1кг почвы /17/.

Валовые и подвижные формы азота и калия (табл. 2) имеют аналогично гумусному типу профиль распределения. Исследуемые почвы имеют среднюю степень обеспеченности общим азотом и достаточное количество валовых форм фосфора и калия.

Гидролизуемый азот  содержится в максимальном количестве. Обеспеченность легкогидролизуемым азотом и высокое содержание в почве подвижных форм фосфора и калия можно объяснить, ежегодным внесением в почву навоза. По данным Б.П. Мачигина фосфор под влиянием поливов проникает на глубину до 8см, однако, большая часть фосфора (61 % от извлеченного количества) поглощается 2-см слоем почвы, т.е. остается в месте внесения удобрений. Проникновение фосфора в более глубокие слои весьма невелико и происходит в незначительных количествах /18/.

Высокий уровень обменного калия в почве опытного поля связан с большим содержанием валового калия в почве, который переходит в условиях интенсивного земледелия в доступные формы /19/.

Гимназия №60. Темно-каштановые почвы пришкольного участка содержит гумуса почти в 3,5 раза меньше, чем его целинные аналоги. Уменьшение гумуса можно объяснить ускоренными процессами минерализации. Максимальное содержание гумуса зафиксированы в верхних слоях почвенного профиля и постепенно убывая вниз по профилю.

Азот и его соединения играют в формировании почвенного плодородия важную роль. Валовые и подвижные формы азота и калия (таблица 2, диаграмма 1) имеют аналогично гумусному типу профиль распределения. На пришкольном участке отмечается низкая степень обеспеченности азотом, в 0-10см слое содержится 0,134% азота.

Почвы опытного участка в среднем содержат достаточное количество валовых форм фосфора и калия. Почва пришкольного участка в 0-20см слое содержит 0,2% валового фосфора. Пришкольный участок характеризуется низким содержанием подвижного фосфора до 20 мг/кг в 0-10см слое почвы. Проникновение фосфора в более глубокие слои весьма невелико и происходит в незначительных количествах /17/.

Эта же закономерность характерна и для подвижного калия. По обеспеченности подвижным калием почвы целинного  и  пришкольного участка характеризуются средней степенью обеспеченности.

На территории гимназии не сохранилось естественных почв, а сформировались своеобразные искусственные почвы, которые продолжают изменять свою структуру.

Изменение почвенных параметров: прежде всего сложения и структуры почвы снижения порозности, ухудшения аэрации, дренажа вызвали изменения на уровне фитоценозов. Это сказывается в затруднении проростания семян, замедлением роста корней и побегов, на уровне зооценозов - уменьшение жизненного пространства, особенно для мелких беспозвоночных. В результате глубокие изменения происходят не только в почве, но и одновременно в напочвенном ярусе. Оценку физической деградации почв целесообразно проводить, используя методы сопутствующей индикации, анализируя описание почвенных животных и  растительности прослеживая динамику их состояния.

Целина. В темно-каштановых почвах целины высокое содержание гумуса было зафиксировано в слое 0-10см.-3,63% (таблица 2, диаграмма 1) и постепенное его снижение с глубиной.

В почвах целины общего азота было достаточно, 0,217%. Гидролизуемый азот в почве содержится так в достаточном количестве. Максимальное его содержание было зафиксировано  верхнем слое 0-10см.- 47,6%. Почвы целины по валовым формам калия занимают лидирующее место. Подвижные формы фосфора на целине 10мл/кг что в 5 раз меньше чем почвы СЮН, т.к. почвы станции юных натуралистов зафосфачены.