§ 1. Городские почвы и их реабилитация

Состояние городских почв. Здоровая, плодородная почва — национальное достояние. Между тем на территории любого города не остается почвы как естественно-исторического органоминерального тела.

лишь в виде островков в городских лесах и лесопарках. На подавляющей части городской территории сформировались специфические образования — урбаноземы, которые отличаются от естественных почв как структурой и свойствами, так и выполняемыми функциями (С. А. Герасимова и др., 2001 г.).

Урбанозем — искусственно образованная в процессе формирования городской среды почва, являющаяся биокосной многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живой материи, функционирующая под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, но с добавлением специфического в городской среде антропогенного фактора.

Урбаноземы формируются на антропогенно-нарушенных или антропогенно-преобразованных (с инородными включениями, нарушенным сложением и т. д.) грунтах, не подвергавшихся целенаправленной биологической рекультивации на глубину корнеобитаемого слоя (до 1,5 м).

Урбаноземы подразделяются на следующие типы: Конструктоземы — целенонаправленно создаваемые с помощью искусственных приемов почвы, состоящие из последовательно сменяющихся слоев грунта разного гранулометрического состава и насыщенности органическими соединениями, отсыпаемых для целей конструирования (создания) профиля по аналогу природной модели почвы; Индустриземы — почвы промышленно-коммунальных зон, загрязненные тяжелыми металлами, механическими включениями и другими токсичными веществами; Агроурбаноземы (культуроземы) — городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых огородов, для которых характерна большая (до 40 см) мощность гумусового горизонта; Некроземы — почвы, входящие в комплекс почв городских кладбищ, для которых характерна перемешанность грунтов в слое более 200 см.

Факторами, усложняющими структуру почвенного покрова в городах, являются: наличие фундаментов зданий, линии метрополитена и «запечатанная» дневная поверхность. Запечатанность почв, например, в пределах Садового кольца Москвы достигает 80-90 % площади, территорий промышленных зон — до 80 %. Почвы под жилой застройкой различаются по степени запеча- танности от 20 до 70 % .

Все компоненты городских ландшафтов подвергаются трансформации, причем особенно сильно почвенный покров, который становится биотоксичным (подавляется развитие естественных микроорганизмов, прорастание семян, развитие корневой системы).

Наиболее серьезными причинами антропогенного давления (прессинга) на почвы в условиях городов являются: перуплотнение, вызываемое нагрузкой со стороны пешеходов и различной техники, особенно при проведении строительных работ; засоление, возникающее из-за внесения на открытые поверхности противогололедных реагентов, а также применения минеральных удобрений для развития растений; неблагоприятный водно-воздушный режим (нехватка или, наоборот, избыток влаги, связанные с неравномерностью распределения атмосферных осадков по причине изоляции большей части деятельной поверхности строениями и дорожными покрытиями); отравление почвенных организмов и растительности, которое возникает при концентрировании в верхних горизонтах почв антропогенных загрязнителей (тяжелых металлов, радионуклидов, органических соединений), а также продуктов жизнедеятельности почвенной микрофлоры.

За период с 2002 по 2005 гг. в НИиПИ экологии города (г. Москва) было проанализировано более 10300 проб почв (грунтов), отобранных при проведении комплексных инженерно-экологических изысканий территорий проектируемого строительства. Установлено, что более 50 % проб почвы содержат 3,4-бенз(а)пире- на (сильнейшего канцерогена) выше ПДК, из них 22 % имеют опасную и чрезвычайно опасную категорию загрязнения.

Вышеизложенное указывает на крайнюю остроту проблемы оздоровления городских почв.

Мелиорация городских земель и ее виды. В общем смысле под мелиорацией понимается система организационно-хозяйственных и технических мероприятий, направленных на улучшение земель в целях создания наиболее благоприятных условий для развития сельского хозяйства или общего оздоровления природной среды.

Объектами мелиорации могут быть: 1) земли с неблагоприятными условиями водно-воздушного режима (болота и заболоченные земли, засушливые степи, полупустыни и пустыни); 2) земли с неблагоприятными физическими и химическими свойствами (засоленные, тяжелые глинистые почвы, пески и т. д.); 3) земли, подверженные механическому воздействию воды или ветра (овраги, легко размываемый почвенный покров, склоновые территории), на которых осуществляются противоэрозионные мероприятия. В зависимости от объекта и способа воздействия на почву и растения различают гидротехническую, агротехническую, лесотехническую, химическую и культуртехническую мелиорацию.

Наиболее существенное влияние на улучшение природных условий для развития сельскохозяйственных растений оказывает гидротехническая мелиорация (орошение, обводнение и осушение), изменяющая водно-воздушный режим почвы. Для этого строятся оросительные и осушительные каналы, трубопроводы, создаются водохранилища и плотины.

Агротехническая мелиорация изменяет физические и химические свойства почвы, содержание различных питательных элементов и включает различные виды вспашек, почвоуглубление, залужение крутых склонов, улучшение лугов и пастбищ, снегозадержание.

Под лесотехнической мелиорацией подразумевается улучшение земель путем выращивания древесной растительности. Сюда относятся облесение местности, закрепление движущихся песков, создание защитных лесных полос и т. д.

Химическая мелиорация применяется для улучшения свойств земель путем внесения химических препаратов.

Культуртехническая мелиорация позволяет улучшать состояние поверхности почвы путем удаления камней, пней, кустарника, планировки поверхности.

В этом контексте реабилитацию городских почв (урбанозе- мов) можно рассматривать как один из специфических видов мелиорации земель, направленную на восстановление (полное или частичное) их локальных экологических функций и рекреационного потенциала.

Химическая реабилитация урбаноземов имеет целью максимально возможное приближение их состава, структуры и химических свойств к природным почвам и, как следствие, повышение их плодородия, достигаемые внесением определенных химических веществ.

Объектами воздействия последних являются прежде всего ионнообменные и коллоидно-химические свойства почвы, ее кислотно-основные характеристики, солевой и микроагрегатный состав.

В зависимости от реакции почвенного раствора почвы обычно подразделяются на шесть групп: сильнокислые (pH 3—4), кислые (pH 4-5), слабокислые (pH 5-6), нейтральные (pH 6-7), слабощелочные (pH 7-8) и сильнощелочные (pH 8-9). На территории нашей страны широко распространены почвы, относящиеся к трем первым группам, а также солонцовые и карбонатные почвы с повышенной щелочностью.

Кислотность органических почвенных коллоидов определяется главным образом присутствием в почвенном поглощающем комплексе (ППК) водородных ионов, которые легко поступают в раствор и вступают в обменные реакции с основаниями и нейтральными солями:

Кислые почвы нуждаются в коренной химической мелиорации, прежде всего известковании, т. е. внесении мелиорантов, содержащих СаС03. Установление потребности почвы в известковании и определение необходимых доз известковых материалов основываются на предварительном изучении почвенной кислотности, на практике их доза колеблется от нескольких до десятков тонн мелиоранта на гектар.

В качестве известковых мелиорантов используются различные карбонатные породы, а также промышленные отходы. Основное действующее вещество таких мелиорантов — карбонат кальция СаС03 — практически нерастворим в воде, однако под влиянием содержащегося в почве С02 он постепенно переходит в раствор в виде Са(НС03)2.

Таким образом, известкование улучшает агрохимические характеристики почвы: снижается ее гидролитическая кислотность, возрастают степень насыщенности основаниями и содержание поглощенного кальция. Повышение pH почвенного раствора до значений, близких к нейтральному (6,0-6,5), значительно повышает эффективность вносимых минеральных удобрений. Одновременно кальций, внесенный с известью, способствует коагуляции почвенных коллоидов, улучшает микроструктуру почвы, повышает ее водопрочность; в ней возрастает водопроницаемость и улучшается аэрация.

Солонцовыми называют почвы, содержащие большое количество обменного натрия (иногда магния) в ППК. Низкое естественное плодородие солонцовых почв объясняется прежде всего их отрицательными водно-физическими и механическими характеристиками.

Радикальным и широко распространенным на практике методом химической мелиорации солонцовых почв является их гипсование, т. е. внесение в почву в качестве мелиорирующего средства гипса CaS04-2H20. При этом в почве протекает реакция

Удаление натрия из ППК и насыщение его кальцием способствует коагуляции почвенных коллоидов, улучшает структурномеханические и физико-химические свойства почв и одновременно нейтрализует ее щелочность, т. е. снижает pH. Непременным условием успешной мелиорации является последующее удаление Na2S04 из корнеобитаемых горизонтов почвы во избежание ее вторичного засоления. Это достигается лишь достаточным естественным увлажнением или проведением специальной промывки.

Кислование содовых солонцов, т. е. обработка разбавленными растворами сильных минеральных кислот (H2S04, НС1, HN03), также приводит к их радикальному улучшению: происходит нейтрализация щелочности, разложение почвенных карбонатов с переходом их в более растворимые сульфаты и гидрокарбонаты.

Защита почв от загрязнения тяжелыми металлами. Как известно, почва имеет значительную емкость поглощения по отношению к химическим загрязняющим веществам. В ней проте-

кают процессы трансформации различных соединений, в том числе и экологически опасных. При этом возможно превращение их в малотоксичные, инертные или малодоступные для растений соединения. Однако, несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на окружающую среду, превышение которых приводит к необратимым последствиям.

Эффективный прием, снижающий подвижность тяжелых металлов и способствующий закреплению их в малоподвижной, недоступной растениям форме, — известкование. Этот прием успешно применяют в районах с избыточным увлажнением, особенно на почвах с повышенной концентрацией водорода, подвижного алюминия, железа, марганца.

Органическое вещество — прекрасный инактиватор тяжелых металлов в почве. Оно повышает буферность почвы, способствует снижению токсического действия тяжелых металлов, концентрации солей в почвенном растворе, уменьшению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов и препятствует поступлению их в растения. Поэтому наиболее простой способ улучшения песчаных и легкосуглинистых почв — внесение высоких доз органических удобрений; его часто применяют в пригородных хозяйствах, садовых участках, огородах.

При рекультивации легких почв, загрязненных тяжелыми металлами, в качестве эффективного приема иногда применяют глинование — внесение глин, содержащих алюмосиликаты типа монтмориллонита.

В последние годы все более широко используются природные сорбенты, такие как цеолиты (например, клиноптиллолит), месторождения которых имеются на территории СНГ. Наибольшую эффективность цеолиты проявляют на сильнозагрязненных почвах, значительно снижая подвижность тяжелых металлов, причем действие цеолитов усиливается при внесении навоза или различных нетрадиционных удобрений.

Возможен и другой путь снижения фитотоксичности тяжелых металлов — с помощью ионообменных смол, содержащих карбоновые и гидроксильные группы, их вносят в почву в виде гранул или порошка.

Существенного уменьшения фитотоксичности можно добиться таким эффективным приемом восстановления почв, как химическое осаждение. При химическом осаждении происходит образование труднорастворимых солей (например, ортофосфорной или угольной кислот) с катионами тяжелых металлов. Этот прием наиболее эффективен при сильном техногенном загрязнении почв, так как для образования труднорастворимого осадка необходима высокая концентрация ионов металлов.

В качестве способа рекультивации загрязненных почв пригородных или фермерских хозяйств часто рекомендуют внесение фосфорных удобрений, что позволяет одновременно восполнить недостаток фосфора, помимо основной задачи, — снижения фитотоксичности тяжелых металлов.

Кроме физических и химических приемов по восстановлению загрязненных тяжелыми металлами почв, используют различную устойчивость некоторых растений к высокому содержанию тяжелых металлов. Такие растения встречаются как среди дикорастущих, так и среди культурных видов, например хлопчатник, свекла, некоторые бобовые и лекарственные растения.

Этот метод удаления токсичных металлов из верхнего слоя почвы (глубина до 30-50 см) при помощи специально подобранных растений называется фитоочисткой (рис. 19.1).

Тяжелые металлы, например никель, хром, поглощаются корнями, стеблями и листьями растений, которые затем собираются и подвергаются захоронению на полигонах.

Фитоочистка может применяться не только для удаления из почв металлов, но и пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, нефти и т. п.

Рис. 19.1. Очистка почвы от никеля при помощи растений

Эффективным способом борьбы с радиоактивным загрязнением почв является закрепление радионуклидов органическим веществом с образованием нерастворимых комплексов (хелатов). В большинстве почв повышение pH, количества обменного калия и кальция способствует сорбции радионуклидов (например стронция). Глинистые минералы хорошо фиксируют такие радионуклиды, как стронций, цезий.

В ряде случаев, например при очень высокой степени загрязнения относительно небольших количеств почвы или почвогрун- та целесообразно применять промывку. Лучше всего поддаются промывке песчаные почвы, хуже — илистые или глинистые. Технология промывки относительно проста (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Установка для промывки грунта (Военная экология, 2005 г.)

Если загрязнение глубоко проникло в почву и его трудно ликвидировать или собрать, целесообразно в экологическом аспекте применить способ, разработанный в Швеции. Он заключается в устройстве гидроизолирующего слоя поверх подземного загрязнения (рис. 19.3). На загрязненную почву укладывается слой глины, который предназначен для предотвращения выделения вредных газов от загрязнителя. Глина покрывется сверху слоем прочного синтетического материала, например полиэтилена (геомембрана), препятствующего проникновению воды. Поверх геомембраны укладывают дренажный слой из гравия и, при необходимости, дренажных труб. Сверху насыпается слой почвы и

Рис. 19.3. Схема поверхностного гидроизолизующего слоя (Военная экология, 2005 г.)

засевается трава, которая своей корневой системой поглощает влагу.

При помощи гидроизолирующего слоя, способного выполнять свои функции многие годы, решаются следующие задачи: 1) предотвращение вымывания загрязнения дождями и во время таяния снегов, что предотвращает попадание вредных веществ в водозаборы, поверхностные и грунтовые воды; 2) исключение ветрового распространения вредных веществ, находящихся в сухом состоянии; 3) предотвращение контактов людей и животных с токсикантами.

В последнее время широко используется разведение и выпуск в агросистемы насекомых-хищников: божьей коровки, жужелицы, муравьев и др. (биологическая защита), внедрение в природные популяции видов или особей, которые не способны давать потомство (генетическая защита) и т. д.

Особо следует остановиться на так называемых слоистых конструкциях, используемых для защиты корнеобитаемой толщи культурных растений от вторичного засоления и загрязнения растворимыми веществами. Для этого между верхним корнеобитаемым горизонтом почвы и нижележащими слоями внедряют экран из грубодисперсного материала (песка, гравия, щебня, керамзита, дробленного кирпича, битого стекла, в ряде случаев отходов пластиковой тары и т. п.). При этом возникает эффект разрыва капиллярной связи, в результате чего попадающие на поверхность почвы соли и растворимые соединения при надлежащей промывке выносятся вглубь почвы за пределы корнеобитаемой толщи и экранирующего слоя; вернуться назад они не могут.

Выделяют сплошные (рис. 19.4) и локальные (рис. 19.5) конструкции, предназначенные для выращивания газонной травы и древесно-кустарниковой растительности, соответственно.

Сплошные конструкции имеют уклон 4-6 см на каждый метр поперечника газона; плодородный слой должен иметь мощность не менее 20 см.

Рис. 19.4. Сплошная почвенная конструкция для газонной растительности (А. В. Смагин и др., 2001 г.)

Рис. 19.5. Локальная почвенная конструкция для древесно-кустарни ковой растительности (А. В. Смагин и др., 2001 г.)

Индивидуальные размеры локальных конструкций варьируют в зависимости от конкретного вида растений и способа посадки. Так как корневые системы древесной и кустарниковой растительности располагаются глубже, чем у травянистых культур, экранирующий слой создается на более низких отметках: 0,5 для кустарников, не менее 1м — для саженцев деревьев.