Текст книги "Экология городской среды"

Экологизация социальных потребностей предполагает наличие общественных гарантий достижения устойчивого развития и поддержания экологического равновесия урбанизированных территорий и, как следствие, отсутствие у жителей страха перед будущим, перед грядущим социальным кризисом. Она подразумевает свободу познания и самовыражения в области охраны окружающей среды, наличие экологической информационно-познавательной среды, соответствие общественных и законодательных инициатив для достижения гармонизации отношений общества и природы.

Экологизация потребностей неизбежно связана со значительным добровольным снижением их реализации. Однако это противоречит всем условиям современного понимания комфортности городской среды и ее привлекательности в структуре расселения. В связи с этим только экологизация сознания через непрерывное экологоориентированное образование позволит обеспечить добровольное принятие ограничения всех потребностей населением и устойчивое развитие урбанизированных территорий.

Пути устойчивого развития городской среды определяются экологическим и градостроительным законодательством. Они формируются современной градостроительной и природоохранной политикой Беларуси. Документами, в которых указаны направления и планомерные действия по улучшению состояния городской среды, являются территориальные комплексные схемы охраны окружающей среды и генеральные планы городов. Стратегия развития города через его генеральный план позволяет выявить первоочередные задачи улучшения состояния городской среды, сопоставить их с ресурсными возможностями территории и экономическими возможностями их реализации, максимально учесть требования концепции устойчивого развития поселений в проектной и строительной деятельности.

Контрольные вопросы и задания

1. Дать определение и основные характеристики урбанизации.

2. Какие выделяют стадии урбанизации и чем они характеризуются?

3. Что такое урбоэкология?

4. Что такое город и какие выделяют его типы?

5. Что такое планировочная структура города, планировочный каркас, планировочный элемент?

6. Какие известны планировочные структуры городов?

7. Что такое городская агломерация, конурбация, мегаполис?

8. Что такое окружающая среда города, каковы ее компоненты?

9. В чем отличие городской окружающей среды от природной?

10. Что такое урбоэкосистема, каковы ее особенности и отличительные черты?

11. Составьте укрупненный материальный баланс города (на примере крупного города).

12. Чем отличаются городские экосистемы от природных?

13. В чем проявляется воздействие города на окружающую природную среду?

14. Что такое устойчивое развитие поселений?

15. Каковы пути устойчивого развития городов?

16. Какие существуют потребности человека и как они могут быть экологизированы?

Глава 2
Геологическая среда города

Геологические факторы – формы рельефа, структура и качество почв, свойства горных подстилающих пород, наличие полезных ископаемых, а также экзогенные и эндогенные процессы, происходящие на территории города и его окрестностей, непосредственно влияют на выбор места заложения города и его последующую судьбу

Современный процесс урбанизации сопровождается прежде всего значительным отчуждением земель для функционирования и развития селитебных территорий. Предполагается, что к 2025 г. более 3/5 мирового населения будет проживать на урбанизированных территориях; городское население достигнет 5,2 млрд человек, из которых 77 % будут жить в развивающихся странах. По данным Исполкома ЮНЕП (от англ. UNEP – United Nations Environment Programme – Программа ООН по окружающей среде), в 2000 г. площадь урбанизированных земель превысила 100 млн га. В связи с этим из сельскохозяйственного оборота ежегодно изымается значительное количество продуктивных земель, а площадь техногеннонарушенных земель возрастает.

2.1. Литогенная основа городских территорий

Литогенной основой городской геотехнической системы являются рельеф, геологический субстрат и гидрологические условия, выступающие как многоплановый экологический фактор, предопределяющий условия техногенной трансформации ландшафта. Этим фактором во многом определяются не только естественные ландшафтнообразующие процессы и явления, но и процессы техногенного загрязнения и самоочищения городских территорий.

Наиболее подверженным техногенным трансформациям компонентом городской среды является почва, образующая педосферу – почвенный покров Земли. Важнейшим свойством почвы является плодородие, т. е. способность обеспечивать условия для продуцирования растениями органического вещества. Плодородие почв обусловлено их физическими, химическими и биологическими свойствами.

К физическим свойствам почвы относятся механический состав, относительная рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, отсутствие света, малая амплитуда колебания температуры, незначительный объем почвенного воздуха.

Химические свойства почвы обусловлены наличием минеральных веществ, реакцией среды, засоленностью.

Биологические свойства определяются наличием различных живых организмов, прежде всего в пахотном (поверхностном) слое почвы.

Почва состоит из хорошо выраженных слоев, обычно различающихся по цвету, которые называются почвенными горизонтами. Почвенный горизонт образуется и развивается в результате сложнейшего взаимодействия растений, животных, микроорганизмов и элювинированных (выветренных) горных пород.

По специфическим свойствам и химическому составу выделяют три основных почвенных горизонта:

• перегнойно-аккумулятивный горизонт – самый верхний, темноокрашенный, богатый гумусом, содержащий основную массу корней растений, почвенных животных и микроорганизмов;

• горизонт вымывания – в нем накапливаются, аккумулируются и преобразуются вещества, поступающие из верхнего горизонта;

• материнская порода – материал ее постепенно преобразуется в почву.

Горизонты почв, отличающиеся по свойствам, формируют вертикальный почвенный профиль.

Мощность почвы характеризует степень близости подстилающей материнской породы – подпочвы, влияющей на распространение корней.

Почва как природное образование создавалась тысячелетиями. Например, возраст черноземов и темно-каштановых почв составляет 2500–3000 лет; светло-каштановых, серых и бурых лесных – 800-1000 лет; торфяно-глеевых, горно-луговых, лугово-каштановых – 500–800 лет; подзолистых почв – 1500 лет.

Процесс почвообразования тесно связан с физическим и химическим выветриванием горных пород. При выветривании горных пород создается элювий – кора выветривания различной мощности, состава, условий залегания и степени влажности. В этом длительном процессе, кроме физических и химических факторов, важную роль играют также биологические факторы.

Кора выветривания является исходным субстратом для почвообразования, который начинается с момента поселения на этом субстрате микроорганизмов. В результате жизнедеятельности микроорганизмов извлекаются минеральные компоненты из субстрата и выделяются органические кислоты, что создает условия для поселения пионеров растительности – лишайников. Не требовательные к условиям жизни лишайники продолжают функционировать и обогащать подстилающие минеральные горизонты органическими соединениями. На обогащенной питательными веществами почве заселяются высшие растения и животные. В результате их жизнедеятельности в почве постепенно накапливаются специфические органические вещества, обеспечивающие ее плодородие, в частности – гумус.

Почва характеризуется водным, воздушным, тепловым режимом, структурой, химическим составом. В ней поселяются разнообразные живые организмы, размещаются корневые системы растений. С увеличением возраста почва значительно изменяется под воздействием факторов почвообразования. Развитые почвы формируются только при воздействии высших растений. Без фитоценозов и биоценозов нет почвы, и только фитоценоз меняет абиогенные физические и химические свойства почвы, формируя ее плодородие. С возрастом часто уменьшается количество карбонатов в почве, щелочная среда может переходить в кислую, увеличивается содержание органических веществ. Почва – это субстрат, из которого растения получают практически все необходимые им вещества.

Городскую территорию с разнообразными категориями земель необходимо рассматривать как единую целостную систему, в которой присутствуют и активно взаимодействуют все природные и антропогенные среды (вода, воздух, грунты, горные породы, растительность, животные, человек). В этой системе почва является базовой составляющей, обеспечивающей продуктивность системы, ее функционирование, устойчивость и биоразнообразие.

Почвы урбанизированных территорий являются важным фактором экологического и санитарного состояния городов.

Роль почвы в городе существенная и разнообразна. Главными экологическими функциями городской почвы являются ее пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в себе загрязняющие вещества и препятствовать их проникновению в почвенно-грунтовые воды и в виде пылей в атмосферу города. Однако в крупных промышленных городах происходит значительная деградация экологических функций городских почв (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Трансформация и деградация экологических функций городских почв (Добровольский, 1997)

В городах антропогенное воздействие становится преобладающим над естественными факторами почвообразования, формируя в новых экологических условиях специфические типы почв и почвоподобных тел. Городские почвы существенно отличаются от естественных почв по морфогенетическим признакам и физико-химическим свойствам. Для них характерно нарушение привычной последовательности в расположении почвенных горизонтов; отсутствие такого важного биогеоценотического экранного слоя, как лесная подстилка; накопление строительно-бытового мусора и загрязняющих техно– и биогенных веществ; формирование специфической биоты; высокая щелочность; измененность водного и температурного режимов. При достаточной обеспеченности городских почв основными элементами питания растений лимитирующими факторами почвенного плодородия являются высокие значения pH, переуплотненность почвенной структуры, загрязнение несвойственными веществами и элементами.

Формирование городских почв происходит в процессе развития на насыпных грунтах и на культурном слое, а также вследствие изменения естественных почв.

В пределах города выделяют почвы: естественные природные; поверхностно преобразованные естественные (урбопочва); глубоко преобразованные (урбаноземы); поверхностно гумусированные искусственно созданные почвы-грунты (урботехноземы). В табл. 2.2 приведена классификация городских почв, характерных для европейской части СНГ.

Естественные ненарушенные почвы сохраняют нормальное залегание горизонтов естественных почв, хотя их можно только условно относить к этой категории почв из-за неизбежного присутствия в них разного рода загрязняющих веществ. В городах они приурочены преимущественно к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города.

Группу собственно городских почв образуют антропогенные глубоко преобразованные почвы, которые подразделяются на две группы:

• физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля (урбозем, культурозем, некрозем, экранозем);

• химически преобразованные почвы, в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения как воздушным, так и жидкостным путем (индустризем, интрузем).

Таблица 2.2. Классификация городских почв (Добровольский, 1997)

Техногенные поверхностно преобразованные почвы (урбо-техноземы) представляют собой искусственно созданные почво-грунты путем насыпки плодородного грунта, торфокомпостной смеси на свежие обнаженные грунты в процессе благоустройства или рекультивации территории.

Наиболее важным для формирования городской среды является биологическая активность и биологическая поглотительная способность городских почв и грунтов.

Биологическая активность – это способность создавать относительно благоприятные условия для развития и жизнедеятельности в них биоты. Она выражается суммарным проявлением активности биохимических процессов и характеризует интенсивность и направленность процессов превращения веществ и энергии в грунте, происходящих под влиянием живых организмов.

Не все грунты одинаково благоприятны для развития тех или иных организмов. Следует различать макро- и микробиологическую активность грунта. Первая отражает способность грунта создавать условия для развития макроорганизмов (грибов, растений, животных), вторая – для развития микроорганизмов. Весьма важным видом биологической активности грунтов, определяющим ее плодородие, является биологическая активность почвы. Она включает в себя активность биологических факторов педогенеза (растительности, макро-и микрофауны, деятельность человека); активность, связанную с гумификацией органического вещества почвы, имеющую значение одновременно для педогенеза и питания растений; активность, непосредственно влияющую на питание растений.

Биологическая активность грунта оценивается как прямыми, так и косвенными показателями.

Прямым показателем биологической активности грунта является относительное количество (концентрация) биоты того или иного типа в грунте. Количество микроорганизмов в грунте оценивается тысячами экземпляров на 1 г твердой фазы грунта, для других организмов определяется относительное содержание живой фито– или зоомассы организмов в единице объема грунта (мг/см³ и т. д.). Количество макроорганизмов, включая крупных животных, оценивается числом особей (экз.), обитающих на единице площади или в единице объема грунта (экз./га, экз./м³ и т. д.). Если в данном грунте высокое относительное количество тех или иных организмов, то такой грунт благоприятен для них, и наоборот. Для оценки микробиологической активности грунта определяется суммарная концентрация микроорганизмов или концентрация микроорганизмов определенного вида (рода, семейства и др.).

Для микроорганизмов наиболее благоприятны почвы, илы, торф, богатые различными питательными компонентами. По данным ряда исследований именно почвы характеризуются наибольшей биологической активностью (табл. 2.3). Менее благоприятны различные дисперсные грунты – лёссы и лёссовидные грунты, супеси, суглинки, глины, пески, хотя и эти грунты могут являться средой обитания как для микро-, так и макроорганизмов.

Поскольку любые организмы, включая микроорганизмы, могут заселять лишь пустоты и поры в грунтах, то наблюдается определенная связь между пустотностью (пористостью) и биологической активностью. Поэтому наименее благоприятны для микро– и макроорганизмов невыветренные массивные скальные магматические, метаморфические и осадочные сцементированные грунты, обладающие весьма малой пустотностью.

Таблица 2.3. Биологическая активность грунтов

Биологическая активность грунтов, включая почвы, меняется по глубине. Грунты зоны аэрации, как правило, заселены аэробными микроорганизмами. Поскольку с глубиной доступ к ним кислорода воздуха снижается, то соответственно уменьшается и количество микроорганизмов. Особенно отчетливо это проявляется в урбопочвах.

Косвенными показателями биологической активности являются различные характеристики, отражающие интенсивность тех или иных процессов, происходящих в грунтах с участием биоты. Если грунт благоприятен для тех или иных организмов, то в нем будут проходить процессы обмена веществ, интенсивность которых служит признаком биологической активности грунта. К таким косвенным характеристикам относятся показатели биологического газовыделения, скорость различных биохимических реакций в грунте, активность в нем ферментов и т. д.

Многочисленные многолетние наблюдения почвоведов показали, что биологическое газовыделение почвы, оцениваемое по интенсивности выделения CO₂, является одним из наиболее обоснованных косвенных показателей биологической активности. Подтверждением этому служит высокая корреляция между продуцированием CO₂ и количеством микроорганизмов в почве, параметрами ее плодородия, содержанием гумуса, общим содержанием углерода и т. д. Однако называть выделение CO₂ биологической активностью грунта неверно, так как этот процесс зависит от многих факторов, поэтому принято говорить о «дыхании грунта», как показателе его биологической активности.

Выделение CO₂ в грунтах происходит в основном за счет биохимических реакций окисления различных компонентов потребляемым кислородом с генерацией углекислого газа. Однако на выделение CO₂ из грунта могут также оказывать влияние биохимические реакции, идущие с потреблением CO₂, свойственные хемосинтезирующим организмам. Поэтому биологическая активность грунта может оцениваться по его газо-потреблению (кислород, расходуемый организмами на окисление) или газовыделению (диоксид углерода). По газовыделению чаще всего она оценивается скоростью продуцирования диоксида углерода из исследуемого грунта.

Биологическая активность грунта обусловливает совокупность в нем процессов, влияющих на изменение состава, структуры и свойств как самого грунта, так и материалов, взаимодействующих с ним. Она не постоянна для данного грунта и меняется в течение суток, сезонов года в соответствии с изменением жизненных циклов организмов и др.

Биологической поглотительной способностью грунтов называется их способность, обусловленная присутствующими в них макро– и микроорганизмами, потреблять из внешней среды, взаимодействующей с грунтом, различные компоненты (жидкие, газообразные или твердые). Она является прямым результатом биологического обмена веществ в грунтах и определяется его объемом, скоростью, интенсивностью и др.

Сущность биологической поглотительной способности грунтов состоит в том, что в процессе жизнедеятельности растения, грибы и животные, находящиеся в грунте, избирательно накапливают некоторые необходимые им химические элементы, которые частично или полностью задерживаются грунтом и остаются в нем. Таким образом, грунт постепенно обогащается определенными элементами и микроэлементами в зависимости от потребностей биоты, населяющей его. Впервые биологическое поглощение как особый вид поглотительной способности почв выделил К.К. Гедройц в 1932 г.

Важнейшими особенностями биологического поглощения являются: селективность, или избирательный характер поглощения тех или иных элементов различными организмами; относительно низкие скорости процесса поглощения; проявление сопутствующих поглощению процессов, связанных со спецификой метаболизма различных организмов.

Живые организмы в грунтах в ходе поглощения накапливают различные элементы избирательно. В биогеохимии эта способность оценивается коэффициентом биологического поглощения (КБП) – эмпирическим биогеохимическим показателем, характеризующим интенсивность биологического поглощения элементов тем или иным организмом. Этот показатель рассчитывается по формуле, предложенной А.И. Перельманом:

где С_х – содержание элемента х в золе организма (гриба, растения или животного, обитающего в грунте); п_х – содержание того же элемента в грунте или его кларк литосферы.

Таким образом, КБП показывает во сколько раз содержание элемента в золе организма выше, чем в литосфере (в грунте).

Величина КБП зависит от многих факторов, она меняется от времени года в соответствии с изменением биологической активности организмов, фазы вегетации растений, возраста организмов, их вида и т. д. (табл. 2.4).

Скорость биологического поглощения различных элементов в грунтах намного меньше, чем химического, механического или физико-химического поглощения. Этот процесс в них идет медленно в течение всей жизни тех или иных организмов или их популяции. Поэтому результаты биологического поглощения проявляются в грунтах не сразу, а в течение довольно длительных периодов от полугода до года и более. Однако скорость поглощения одних и тех же элементов у разных организмов в грунтах может быть различна.

Таблица 2.4. Ряды биологического поглощения элементов (по Перельману, 1975)

Проявление сопутствующих поглощению процессов связано со спецификой метаболизма у различных организмов и биохимическими реакциями. Например, многие микроорганизмы и грибы вырабатывают активные ферменты, которые выбрасываются ими в поровое пространство грунта. В результате этого в грунте появляются новые химические компоненты, которые могут существенно менять свойства порового раствора и грунта в целом.

Биологическое поглощение широко используется для очистки грунтов от различных токсичных загрязнений, удаления многих органических загрязнителей (в частности, нефтяных), а также тяжелых металлов, азотных и фосфорных соединений, радионуклидов.

В настоящее время наиболее широкое распространение имеет биологическая очистка почв. Биологические методы очистки почв и грунтов подразделяются на методы микробиодеградации загрязнителей и биопоглощения и перераспределения загрязнителей. Первые основаны на деструкции токсичных загрязняющих компонентов различными видами микроорганизмов. Эффект достигается либо за счет активизации аборигенной микрофлоры, либо за счет внесения в грунт определенных культур микроорганизмов, а также всевозможных комплексных препаратов и методов.

Методы внесения культур микроорганизмов применяются в тех случаях, когда необходимая аборигенная микрофлора отсутствует или не соответствует виду загрязнителя. Они могут применяться при массированном и аварийном загрязнении при отсутствии развитого естественного биоценоза. Достоинством этих методов является их селективность и возможность выведения штаммов микроорганизмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Однако их эффективность не всегда бывает одинаково высока, поскольку многие культуры эффективны лишь в относительно узком диапазоне условий. Кроме того, часто происходит вырождение микроорганизмов до достижения необходимого уровня очистки. Наиболее опасно то, что их применение может нарушать естественные биоценозы, поскольку при этом происходит смена состава популяций ведущих сообществ микроорганизмов, а это, в свою очередь, может привести к вторичному загрязнению грунтов более опасными веществами, чем те, на которые были направлены очистные мероприятия.

Обычно для очистки почв и грунтов используют такие бактерии, как Bacterium, Actinomyces, Artrobacter, Thiobacterium, Desulfotomaculum, Pseudomonas, Hydromonas, Bacillus и др., а также низшие формы грибов. Часто применяют комплексные биопрепараты, которые содержат не только набор культур, но и питательные вещества. В последнее время разработка искусственных биопрепаратов-деструкторов получила широкое распространение во всем мире.

На избирательной способности бактерий извлекать из многокомпонентных грунтов определенные химические элементы и загрязнители основаны способы очистки грунтов методом бактериального выщелачивания. При бактериальном выщелачивании элементы извлекаются посредством их растворения микроорганизмами в водной среде. Метод применяется для извлечения ценных металлов из руд и отходов производства и был впервые запатентован в США (1958). На его основе можно проводить и очистку грунтов от различных загрязняющих компонентов, в том числе тяжелых металлов.

Таким образом, почвенные биосистемы в городских почвах подвергаются существенным структурным преобразованиям. Это выражается в перераспределении биологической активности почв в пределах почвенного профиля, а именно доминировании микроорганизмов, простейших, грибов, водорослей, насекомых над роющими видами, что отрицательно сказывается на структуре городских почв, их влаго– и воздухоемкости.

В условиях городской среды практически полностью изменены состав, численность и устойчивость микробных сообществ по сравнению с ненарушенными территориями, обусловливающих микробиологические и санитарно-эпидемиологические свойства почв.

В целом антропогенное воздействие на компоненты геологической среды города может привести к развитию опасных геологических процессов, деформации и разрушению зданий и сооружений, значительному экономическому ущербу и человеческих жертвам, существенному ухудшению качества городской среды.