Материал: Ответы ГОСы

Особенности почвообразования и функционирования почв в условиях многолетней и длительной сезонной мерзлоты. Эволюция почв в условиях криогенеза. Криогенные процессы и явления в почвах.

Криогенные почвы — это обширная сборная группа различных типов почв, формирующихся в условиях криогенеза, общим диагностическим признаком которых служит наличие на той или иной глубине от поверхности в подстилающих их грунтах многолетнемерзлых слоев — «вечной мерзлоты». При этом многолетнемерзлые породы смыкаются (сливаются) в почвенном профиле со слоем сезонного промерзания-протаивания. К этой группе не относятся почвы сезонного промерзания, в том числе и длительного сезонного промерзания, если они не имеют подстилания многолетнемерзлыми грунтами. Важно подчеркнуть, что все криогенные почвы являются сезонно промерзающими с поверхности вплоть до многолетнемерзлого слоя и оттаивают в летний период до той или иной глубины, которой и определяется мощность слоя современного почвообразования (в слое многолетней мерзлоты почвообразование не идет). Этот ежегодно оттаивающий слой криогенных почв носит название деятельного слоя или слоя сезонного промерзания-протаивания.

Криогенез — это генезис (образование, развитие и эволюция) почв в условиях влияния многолетней мерзлоты.

В противоположность терминам «криогенные почвы» и «криогенез» понятия «криогенные (мерзлотные) процессы» и «криогенные (мерзлотные) явления» используются более широко и охватывают весь комплекс процессов и явлений, связанных с длительным, в том числе сезонным, промораживанием почв и грунтов. Криогенные (мерзлотные) процессы имеют место, скажем, в длительно сезонно промерзающих глее-подзолистых почвах северной тайги или в сезонно промерзающих серых лесных почвах лесостепи европейской части СССР, но это не делает такие почвы «криогенными» и не относится к понятию «криогенеза».

В принципе криогенные почвы — это почвы высоких широт и высокогорий или, более обобщенно, почвы перигляциальных и постгляциальных областей. Однако в Азии их южная граница опускается довольно далеко в средние широты (местами до 48° с. ш.). Территория, на которой распространены многолетнемерзлые грунты и, соответственно, криогенные почвы, составляет почти 2 5 % всей внеледниковой суши Земли и около половины площади СССР (рис. 10). Наиболее типичны они и широко распространены в арктическом и субарктическом поясах, а также в восточно-сибирской и западно-канадской частях бореального пояса; в горах они характерны для субнивальной и нивальной зон. В Антарктике их распространение крайне ограниченное в связи с ничтожной площадью внеледниковой суши в этом регионе. В наиболее общем виде можно сказать, что южная граница криогенных почв проходит по нулевой изотерме средней температуры воздуха за год.

Влияние мерзлоты на почвообразование чрезвычайно многостороннее. Оно проявляется в криогенных почвах, в частности в систематическом механическом нарушении, деформации почвенного покрова и образовании специфических форм мерзлотного нано- (микро-) рельефа, поли тональности почв.

Наиболее существенные причины образования полигональных структур следующие: 1) сжатие грунтов при промерзании и оттаивании; 2) сортировка материала, выталкивание к поверхности крупных частиц; 3) развитие жил и линз подземного льда (С. П. Качурин, 1960).

При образовании криогенных форм микрорельефа (рис. 11) отмечается следующая последовательность процессов (Б. Н. Достовалов, В. А. Кудрявцев, 1967): 1) растрескивание (морозобойное или вследствие усыхания) тонкодисперсных грунтов, слагающих слой сезонного протаивания; 2) промерзание сезонно-талого слоя и, как следствие этого, образование закрытых систем, окруженных замерзшей частью грунта; 3) развитие в закрытых системах напряжений, деформаций, а иногда и разрывов. Эти процессы приводят к появлению многообразных полигональных форм микрорельефа: «пятнистые тундры», «пятна-медальоны», «каменные венки», «котлы кипения» и др.

Кроме пятнистых форм микрорельефа большое распространение в Субарктике имеют бугорковатые и бугристые образования, происхождение которых связано с процессами пучения.

Пучением грунтов называется неравномерное увеличение их объема при промерзании, происходящее как за счет увеличения объема имевшейся в грунте воды на 9% при ее кристаллизации, так и вследствие замерзающих новых объемов воды, мигрирующих извне в рассматриваемый объем фунта и к фронту промерзания. В песчаных грунтах влага накапливается в незначительных количествах, поэтому пучению они практически не подвергаются. И, наоборот, в суглинистых и особенно глинистых почвогрунтах миграция воды к фронту промерзания и ее последующее рас ширение происходят достаточно интенсивно. Поэтому процессы пучения наиболее широко распространены на тяжелых грунтах в наиболее гумидных условиях.

Процессы образования бугорков и бугров пучения и соответствующего поверхностного пятнообразования осложняются в мерзлотных районах явлениями солифлюкции — текучестью фунта по склону. Переувлажнение почвенной толщи в период весеннелетнего протаивания приводит к тому, что деятельный слой почв приобретает консистенцию плывуна и сползает по поверхности горизонта многолетней мерзлоты под воздействием силы тяжести. Процессы солифлюкции тесно связаны с явлением тиксотропии. Основную роль в образовании тиксотропной структуры криогенных почв играют гели коллоидной кремнекислоты, ее комплексные соединения с гидратами железа и алюминия и подвижными гумусовыми веществами (Ю. А. Ливеровский, 1965).

Кроме криогенных деформаций почвенного профиля за счет растрескивания и пучения, перемешивания и смещения почвенных масс в мерзлотных почвах интенсивно идут также процессы сезонной миграции влаги и растворенных в ней продуктов выветривания и почвообразования к более холодному фронту. Под влиянием градиента температур в зимний период наблюдаются восходящая миграция растворов и увеличение содержания водорастворимых веществ в более холодных поверхностных горизонтах почвы, в летний период происходит их отток вниз по направлению к мерзлой части почвенного профиля.

Влияние подстилающего многолетнемерзлого слоя проявляется также и в том, что он служит водоупором, замыкающим снизу почвенный профиль, затрудняет внутрипочвенный сток, обусловливает переувлажнение и оглеение почвы, способствует накоплению в надмерзлотном горизонте гумуса и других продуктов почвообразования.

С точки зрения роли мерзлоты в увлажнении почвы важно разделять два ее типа: «льдистую» и «сухую» мерзлоту. В первом случае порода или почва (главным образом суглинистого и глинистого гранулометрического состава) содержат в больших количествах лед (до 50—70% от объема). Именно такая мерзлота служит фактором переувлажнения почвы. В песчаных и щебнистых отложениях из-за низких запасов влаги могут наблюдаться отрицательные температуры без накопления существенных количеств льда (лишь ограниченное количество кристаллов по трещинам и порам). Эта «сухая» мерзлота обеспечивает хороший дренаж почв и не может создавать условий для их переувлажнения.

Низкие или отрицательные температуры профиля криогенных почвогрунтов определяют преобладание физического выветривания над химическим, низкую скорость разложения органических остатков. Продукты выветривания коренных пород в мерзлотных районах характеризуются обломочностью и обогащенностью слаборазложившимся органическим веществом.

Общими свойствами криогенных почв являются: 1) мерзлотный тип температурного и водного режимов; 2) низкие скорость и емкость биологического круговорота веществ; 3) оторфованность и грубогумусность органогенных горизонтов; 4) слабая дифференциация минеральной части профиля на генетические горизонты; 5) наличие в профиле признаков криогенной деформации и криотурбаций (полигональность, бугорковатость и пятнистость поверхности, морозобойная трещиноватость, криогенная дифференциация скелетного материала и т. д.); 6) криогенная оструктуренность; 7) криогенная коагуляция продуктов выветривания и почвообразования.

Источник: Почвоведение ч.2. Ковда. С49-73(там подробнее про каждый тип криогенных почв, если вдруг это понадобится)

Почвообразование в городских условиях: изменения климата, рельефа, почвообразующих пород, растительности, почвенной биоты. Комплекс элементарных почвообразовательных процессов на урбанизированных территориях.

В почвоведении назрела необходимость понимания важности изучения того поверхностного плаща городской территории, который до сих пор назывался почво-грунт, городская земля или просто земля. В последние годы к рыхлым субстратам в городах определились два концептуальных подхода:

1. Городская почва - это не почва с точки зрения классического докучаевского почвоведения, это грунт, предмет изучения инженер-геологов. В лучшем случае в городе почвы распространены только в лесопарках и городских лесах - и только там место приложения труда почвоведов.

2. Городская почва - это почва, но которую не всегда можно определить с традиционных почвенно-генетических позиций, так как ведущим фактором почвообразования в населенных пунктах, и прежде всего в городах, является антропогенный фактор.

Городская почва является биокосной многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз, с непременным участием живой фазы; она выполняет определенные экологические функции. Почвы в городе живут и развиваются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, но антропогенный фактор здесь становится определяющим.

В широком понимании городская почва - это любая почва, функционирующая в окружающей среде города. В узком понимании - этот термин подразумевает специфические почвы, сформированные деятельностью человека в городе. Эта деятельность одновременно является и пусковым механизмом, и постоянным регулятором городского почвообразования.

В настоящее время принято следующее определение:

Городские почвы - это антропогенно-измененные почвы, имеющие созданный в результате человеческой деятельности поверхностный слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением материала урбаногенного происхождения, в том числе строительно-бытовым мусором.

Общие черты городских почв:

• материнская порода - насыпные, намывные или перемешанные грунты или культурный слой;

• включения строительного и бытового мусора в верхних горизонтах;

• нейтральная или щелочная реакция (даже в лесной зоне);

• высокая загрязненность тяжелыми металлами (ТМ) и нефтепродуктами;

• особые физико-механические свойства почв (пониженная влагоемкость, повышенная объемная масса, уплотненность, каменистость);

• рост профиля вверх за счет постоянного привнесения различных

материалов и интенсивного эолового напыления.

Для городских почв характерен диагностический горизонт «урбик» (от слова urbanus - город) - специфический горизонт городских почв.

Горизонт «урбик» - поверхностный органо-минеральный насыпной, перемешанный горизонт, с урбоантропогенными включениями (более 5% строительно-бытового мусора, промышленных отходов), мощностью более 5 см.

Характеристика горизонта урбик:

• Расположение и возраст - формируется в городах и населенных пунктах в течение столетий, но может быть сконструирован при образовании газонов, скверов и т.д.

• Почвообразующим материалом служит культурный слой, насыпные или перемешанные грунты и фрагменты (осколки) естественных почв.

• Цвет - различные оттенки темно-бурых тонов.

• Сложение - рыхлый, слоистый; верхняя часть бывает переуплотнена из-за повышенной рекреационной нагрузки.

• Гранулометрический состав - преобладает легкий или облегчен за счет включений.

• Структура выражена слабо.

• Каменистость - за счет строительно-бытовых включений.

• Характерно нарастание горизонта вверх за счет пылевых выпадений из атмосферы и антропогенного привноса материала.

• Наблюдается высокая вариабельность свойств в горизонте по текстуре, плотности сложения, по обилию включений, по химическим свойствам.

• Величина рН преимущественно более 7.

• Содержание гумуса варьирует, но чаще высокое (5-10%), состав гумуса чаще гуматный, преобладает 2-я фракция гуминовых кислот.

Условия и факторы формирования городских почв

Специфика климата. Отличия в климате города и окрестностей иногда равнозначны широтному смещению на 200-300 км к югу. В атмосфере создаются острова тепла и пыли, которые существенно влияют на температуру воздуха и осадки. Центр города в среднем теплее, чем его окраины и окрестности. Суточный ход температуры в городе выражен не так резко, как в окрестностях. Так, температура воздуха в Париже выше, чем в окрестностях, в среднем за год на 2°С, в Нью-Йорке (временами) на 10-15°С. Увеличение плотности застройки и асфальтирование с 20 до 50% повышает разность максимальных летних температур в центре и окрестностях города с 5 до 14°С. Очаг тепла над городом отмечается и в суточных минимумах температур.

Ввиду «запечатанности» поверхности большая часть осадков минует почвенное тело, а интенсивное нагревание поверхностей асфальта и городских сооружений способствует перегреву почвы. Повышенная конвекция в атмосфере города, а также техногенная запыленность приводят к увеличению числа гроз над городом, росту интенсивности ливней и общего количества осадков. Зимние осадки могут достигать 150%, летние - 115% от нормы. Годовые суммы осадков повышены в Москве на 25%, что соизмеримо с эффектом преднамеренного воздействия на облачность. Поверхностный сток урбанизированной территории вдвое выше. Все эти обстоятельства делают индустриальные города очагами плоскостной и овражной эрозии даже там, где она раньше не проявлялась.

Рельеф. Хозяйственная и строительная деятельность человека в течение многих веков значительно изменяет естественный рельеф.

Происходит:

• выравнивание поверхности;

• исчезновение долинно-балочной сети;

• создание нового рельефа (например, террасирование или срезание поверхностной толщи);

• засыпка мелкой эрозионной сети.

Известно, что на территории древних городских поселений существует заметное поднятие уровня земной поверхности, называемое «тель». Тель возвышается над окрестностями на 8-10 м, он образовался в результате систематического привнесения различного рода субстратов на городскую поверхность земли. Как считают Н.С. Касимов и А.И. Перельман (1995), рельеф города влияет не только на водную, но и на воздушную миграцию поллютантов.

В городах часто наблюдаются карстово-суффозионные просадки, оседание толщи грунта в результате увеличивающегося расхода подземных артезианских вод, уменьшения объема почвенно-грунтовой массы, вызванного выщелачиванием растворимых солей, извести. Просадки проявляются в послестроительных насыпных грунтах и при планировочных грунтовых работах, а также на поверхности в виде замкнутых понижений: блюдец, западин, воронок и трещин. В результате негативного воздействия карстово-суффозионных процессов часто происходит деградация почвенно-растительного комплекса.

Почвообразующие породы. Почвообразующими породами в городах могут быть:

• естественные субстраты, залегающие in situ;

• культурный слой;

• насыпные грунты;

• намывные грунты.

Культурный слой представляет собой исторически сложившуюся систему напластований, образовавшуюся в результате деятельности человека. Толщина или мощность культурного слоя может колебаться от нескольких сантиметров до десятков метров (в Саратове до 12 м, в Москве до 22 м) и характеризуется пестротой даже в пределах небольших участков.

Формирование культурного слоя происходит путем поверхностного накопления различного рода материала в результате хозяйственно-бытовой деятельности человека или путем преобразования верхнего природного слоя при строительстве и благоустройстве, с привносом в естественную почву посторонних материалов.

Растительный покров. Городская флора не утрачивает полностью своих зональных черт, и процесс антропогенизации ландшафта в городах контролируется зонально-климатическими условиями. Однако в городах лесной зоны отмечается приобретение растительностью более южного блика в связи с более теплыми засушливыми условиями. Городская флора формируется из местных аборигенных видов и интродуцированных, привнесенных, заносных видов.

Особенностями городской флоры (Кавтарадзе, Игнатьева, 1986) являются:

• богатство флористического состава, изначально обусловленное экотонным эффектом;

• флористическая неоднородность города, обусловленная его экологической, географической и возрастной неоднородностью. От окраин города к его центру закономерно уменьшается число видов флористического состава.

Экологические различия городских природных комплексов очень значительны. Полнее всего свойства природных комплексов наблюдаются в городских лесах, лесопарках и старых парках, в которых сохраняется естественный биологический круговорот, хотя и регулируемый человеком. Остальные типы УФЦ характеризуются, как правило, искусственно сформированными растительными сообществами, и экологическое их функционирование в большей степени определяется вкладом человека: удаление опавшей листвы, внесение органических и минеральных удобрений и т.д. Наихудшими условиями произрастания характеризуются деревья в лунках, со всех сторон окруженные асфальтом. Краевой ожог листьев, снижение декоративности, изменение морфологического строения связываются с неблагоприятными воздушными и особенно с почвенными условиями.

Землепользование как фактор урбопедогенеза. В любом крупном городе выделяются следующие категории земель:

• земли городской и сельской застройки - жилая часть (внутридворовые пространства, скверы, детские сады и школы, газоны вдоль транспортных магистралей);

• земли общего пользования - промышленные зоны (заводы и фабрики, автохозяйства, ТЭЦ, склады, АЗС, станции и поля аэрации, автомагистрали, аэропорты, железные дороги и др.);

• земли природно-рекреационной и природоохранной зон (городские леса, лесопарки, парки, бульвары, скверы, памятники природы и т.д.);

• земли сельскохозяйственного использования (пашни, фермы, питомники, опытные поля);

• земли резерва (пустыри, свалки, карьеры, неудоби).

Каждая из вышеперечисленных категорий городских земель состоит из:

а) запечатанных территорий (непроницаемых) под жилыми зданиями, дорогами, тротуарами, складскими и производственными помещениями и другими строениями и коммуникациями. Эти земли лишены естественного водного и воздушного обмена;

б) открытых незапечатанных (проницаемых) территорий, представляющих собой почвы, почвоподобные тела разной степени антропогенной нарушенности. Именно незапечатанные городские земли выполняют санитарно-гигиенические, экологические и биосферные функции, столь важные для полноценного качественного уровня жизни городского населения.

В свою очередь открытые незапечатанные территории можно разделить на:

а) озелененные территории, покрытые растительностью, с покрывающими их почвами, которые сохраняют экологические функции (скверы, парки, лесопарки, газоны и т.д.);

б) неозелененные или слабоозелененные территории, растительность на которых распространена фрагментарно и представлена главным образом рудеральными видами или сорняками (пустыри, внутридворовые пространства и т.д.). Экологические функции развитых там почв трансформированы, деградированы или сильно нарушены. Такие территории встречаются во всех категориях земель.