Почвоведение, 2019, № 11, стр. 1383-1392

ВВЕДЕНИЕ

Попытки определить степень запечатанности городских почв были предприняты в работах Кошелевой для г. Волгограда [8], Прокофьевой и Хайбрахмановой для г. Москвы [14, 17, 21], Гарсии и Кортихо для г. Мадрида [24–26]. К запечатанным относятся почвы и грунты, перекрытые различными поверхностями (асфальтом, асфальтобетоном) или строениями [14]. Разными авторами степень запечатанности трактуется и как оценка интенсивности хозяйственного освоения [8], и как ранжированная оценка экологического состояния территории, в обоих случаях в основе лежит определение процентного отношения открытых и запечатанных поверхностей [14, 21]. Непосредственно картографированием и систематикой городских почв Волгограда занимались ученые ФНЦ агроэкологии РАН [9, 10]. При картографировании городских почв использовалась интерпретированная авторами совокупность различных классификаций либо крайне устаревших, либо малоинформативных, с точки зрения идентификации того или иного типа почв, что усложняет сравнение полученных результатов с опытом других исследователей. Основным подходом к картографированию было дешифрирование космоснимков без подтверждения полевыми данными, что снижает общую достоверность результата. С учетом вышесказанного целесообразна актуализация исследований [9, 10] на основе универсального многократно апробированного, качественно методически проработанного подхода к классификации и картографированию почв городских территорий [18], в том числе с учетом изменившейся административной границы г. Волгограда, его общей площади и площади функциональных зон.

Цель работы – картографирование и определение расчетной степени запечатанности городских почв на территории г. Волгограда.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являются почвы г. Волгограда, земли которого вытянуты вдоль р. Волга на расстояние более 90 км. Его территория делится на восемь районов, последовательно сменяющих друг друга с севера на юг (Тракторозаводской, Краснооктябрьский, Дзержинский, Центральный, Ворошиловский, Советский, Кировский и Красноармейский).

Волгоград расположен в зоне распространения каштановых почв. Преобладают каштановые почвы различного гранулометрического состава и степени солонцеватости (Cambisols, Cambisols (Sodic)) с содержанием СаСО₃ не более 9% [23]. Древесная растительность представлена городскими зелеными насаждениями, естественными байрачными лесами и искусственными насаждениями зеленой зоны города (зеленого кольца) [10].

При реализации исследований почвенного покрова г. Волгограда с учетом морфологических особенностей городских почв территорию города разделили на зоны, частично совпадающие с действующим функциональным зонирования, а в некоторых случаях дополняющие его. Картографирование почвенного покрова осуществляли на основе существующего функционального зонирования г. Волгограда. Для каждой зоны выделили контрольные точки (для зон специального назначения, спортивных и комплексных сооружений – по одной точке; для зон сельскохозяйственного использования, транспортной инфраструктуры и производственно-деловой и промышленной зоны – по три; для зон озелененных территорий рекреационного значения, земель запаса, пустырей и зоны коллективных садов и дач – по четыре; для зоны застройки индивидуальными жилыми домами – семь; для зоны застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями – девять), для которых провели полевое эталонирование (почвенные разрезы, прикопки, полуямы) по стандартным методикам [15]. Количество точек (разрезов) для каждой функциональной зоны определяли исходя из ее площади и комплексности почвенного покрова. Впоследствии по данным литературных источников и результатам полевых исследований, с учетом схожести общих условий почвообразования на территории города были выделены ареалы распространения отдельных типов и подтипов почв.

В рамках жилой зоны по существующему функциональному зонирования дополнительно выделили зону много-, мало- и среднеэтажных жилых зданий и зону индивидуальных жилых домов; в общественно-деловой зоне существующего зонирования – зону много-, мало- и средне-этажных жилых зданий и зону спортивных и комплексных сооружений; зона озелененных территорий рекреационного значения помимо собственного зоны озелененных территорий рекреационного значения включала земли запаса и пустыри, выделена зона сельскохозяйственного использования. Зона коллективных садов и дач дана без изменений, производственную и коммунальную зону рассматривали как промышленную; зону объектов специального назначения – как зону кладбищ, так как г. Волгоград не содержит других объектов; зону инженерной и транспортной инфраструктур – как зону транспортной инфраструктуры.

По данным картографирования, площадь г. Волгограда составляет 825.66 км². Картографирование почвенного покрова проводили по районам. В качестве растровой основы для ГИС картографирования в программе MapInfo использовали космический снимок M 1 : 50 000 (спутник Bing). Результаты дешифрирования снимков уточняли по данным полевых исследований: в разных функциональных зонах города заложили 35 почвенных разрезов [15, 16], а также учитывали результаты полевого обследования (15 разрезов), выполненные другими авторами [12]. Таким образом, объем рассматриваемых полевых описаний составляет 50 разрезов. В основу исследования положен факт, что формирующим фактором развития почвенного покрова является тип землепользования отдельных участков на территории города, что отражается в системе функционального зонирования [13]. Для определения степени запечатанности, следуя апробированному ранее Кошелевой подходу [8], рассмотрены 6 городских зон: промышленная, дачной застройки, транспортная, селитебная, которая в свою очередь делится на зону много-, мало- и среднеэтажной и индивидуальной застройки, а также открытые участки, объединяющие зоны озелененных территорий рекреационного значения, кладбищ, спортивных и комплексных сооружений, сельскохозяйственного использования, земли запаса и пустыри.

Для определения степени запечатанности почвенного покрова для обследуемых функциональных зон для территории города по 36 полигонам (по 6 полигонов для каждой из 6 функциональных зон), соответствующим каждой функциональной зоне, провели дешифрирование космического снимка (Bing 2017) ручным способом по совокупности признаков (характер поверхности по текстуре и фототону; наличие строений по рисунку изображения, форме и размеру объектов; тип дорожного покрытия по ширине и цветности полотна и др.). По результатам дешифрирования была выявлена доля открытых и запечатанных поверхностей для каждого полигона, по которым расчетным методом получили средние значения для обследуемых полигонов каждой функциональной зоны с последующей экстраполяцией на ее общую площадь в пределах города. При оценке степени запечатанности, которая на территории города варьирует от 0 до 99%, учитывали покрытие поверхности (почв и грунтов) постройками и дорожной сетью.

На текущий момент в российской и мировой литературе по почвоведению отсутствует единый подход к классификации городских почв, в связи с чем этот вопрос остается дискуссионным [18]. В российских классификациях почв 1977 [7] и 2004 гг. [23] почвы урбанизированных территорий подробно не рассматривались.

В процессе написания статьи были использованы три различные почвенные классификации. Непосредственно для классификация городских почв использовали классификацию Прокофьевой [18, 25], которая коррелирует с классификацией почв России 2004 г. [23], применявшейся нами для идентификации неизмененных и слабоизмененных почв на территории г. Волгограда, а также международная классификация почв WRB 2014 [26].

Так как по снимкам с большой точностью практически невозможно отличить естественные каштановые и каштановые солонцеватые почвы от слабонарушенных каштановых урбистратифицированных и каштановых урбистратифицированных солонцеватых, антропогенное преобразование которых ограничивается изменением отдельных морфологических и аналитических свойств, было принято решение объединить данные разности почв, отражаемые на карте (рис. 1) одним цветом.

Рис. 1.

Картосхема размещения почв и техногенно-поверхностных образований в границах функциональных зон г. Волгограда (масштаб 1 : 35 000). Функциональные зоны: 1 – зона озелененных территорий рекреационного значения, земли запаса, пустыри; 2 – зона сельскохозяйственного использования; 3 – зона коллективных садов и дач; 4 – зона специального назначения (зона кладбищ); 5 – зона транспортной инфраструктуры; 6 – производственно-деловая и промышленная зона; 7 – зона спортивных и комплексных сооружений; 8 – зона застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями; 9 – зона застройки индивидуальными жилыми домами. На врезке – районы г. Волгограда: I – Дзержинский; II – Тракторозаводской; III – Краснооктябрьский; IV – Центральный; V – Ворошиловский; VI – Советский; VII – Кировский; VIII – Красноармейский.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В современном Волгограде сосредоточен значительный промышленный, культурный и жилищно-коммунальный потенциал. Почвы на территории города сильно изменены, главным фактором почвообразования является урбаногенный.

Картосхема антропогенных и естественных почв города Волгограда представлена на рис. 1.

Анализ отечественного и зарубежного опыта [1, 2, 4, 6, 15, 17, 22, 24, 25, 27, 29–35] картографирования почв урбанизированных территорий показал, что используемый авторами подход универсален и является востребованным в аналогичных исследованиях. Подход применим как для крупных городов с населением более 1 млн человек (Пермь, Москва, Тхыат-хьен-Хюэ), так и для малонаселенных городов (Биробиджан, Торунь, Оснабрюк) и позволяет обеспечить достаточную детализацию при масштабах 1 : 25 000 и 1 : 100 000 и менее. Его преимущество основано на учете сложившейся структуры города в виде функционального зонирования, естественных и антропогенных условий почвообразования, что обеспечивает высокую точность картографирования городских почв (масштаб от 1 : 25 000), в том числе за счет соотнесения данных дистанционного зондирования с данными полевых исследовании. Подобный опыт характерен в основном для российских городов [2, 4, 6, 22, 24, 29] и был реализован в данном исследовании для г. Волгограда. Это особенно актуально при линейном типе городской планировки крупного города (население 1 млн человек), обусловливающем существенные различия как в темпах и интенсивности городской застройки и промышленного освоения, так и в разнообразии почвенно-экологических условий. Важное значение в исследованиях подобного рода имеет степень проработанности классификации антропогенных почв. Так, для городов Москва и Торунь применялись классификации на уровне типов и подтипов антропогенно-трансформированных почв, как авторские [1], так и универсальные (WRB 2014) или соотносимые с ней [18, 24, 28], в то время как для городов Нанкин и Тхыат-хьен-Хюэ детализация сводилась к выделению на территории города застроенных участков (“urban area” [35]) без отсылки к типам почв [30, 32]. При этом в зарубежной практике часто большое внимание уделяется детализации естественных и сельскохозяйственных почв, расположенных на территории города [30, 32, 34–36]. При картографировании почв г. Волгограда применяли классификацию Прокофьевой с соавт. [18], позволившую актуализировать ранний опыт картографирования почв г. Волгограда, реализованный Куликом и соавт. [9, 10]. Такой уровень детализации (картографирование почвенного покрова г. Волгограда в масштабе 1 : 35 000) позволил анализировать пространственное распределение отдельных типов и подтипов и их комплексов в привязке к функциональным зонам города, что имеет большое практическое значение при планировании развития городской территории.

В зоне озелененных территорий рекреационного значения, землях запаса, пустырей общей площадью 374.31 км² (45.3% от площади г. Волгограда) почвенный покров представлен в основном каштановыми квазиглееватыми почвами и стратоземами светлогумусовыми – 38.46 км² (4.65%), солонцами светлыми квазиглеевыми – 7.07 км² (0.86%), аллювиальными – 115.06 км² (13.92%), а также зональными каштановыми, каштановыми солонцеватыми с пятнами солонцов светлых, каштановыми урбистратифицированными, каштановыми урбистратифицированными солонцеватыми – 213.72 км² (25.86%).

Зона сельскохозяйственного использования общей площадью 173.58 км² (18.67%) представлена агроземами текстурно-карбонатными.

В зоне коллективных садов и дач общей площадью 69.44 км² (8.4%) состав почвенного покрова существенно трансформирован. Преобладающей разностью здесь являются высокоплодородные урбостратоземы, реже встречаются каштановые урбистратифицированные разной степени солонцеватости и почвы и грунты, экранированные зданиями и дорожными покрытиями. Эти территории в меньшей степени подвержены физико-химическим воздействиям в ходе градостроительной деятельности.

Зона кладбищ общей площадью 3.56 км² (0.43%) представлена специфичными почвенными образованиями – почвами кладбищ (некроземами по классификации М.Н. Строгановой) [13, 18, 20].

Почвенный покров зоны транспортной инфраструктуры общей площадью 37.88 км² (4.58%) образован почвами и грунтами, экранированными дорожными покрытиями, урбостратоземами, а также рекультивированными почвоподобными образованиями – квазиземами.

Промышленная зона общей площадью 63.05 км² (7.63%) приурочена в основном к 1.5-километровой полосе, протянувшейся вдоль берега Волги, и представлена особо сильно загрязненными почвами – урбостратоземы химически загрязненными [12] в совокупности с урбостратоземами и квазиземами.

В зону спортивных и комплексных сооружений общей площадью 0.62 км² (0.08%) входят редкие и мало изученные, специальным образом сконструированные техногенно-поверхностные образования, конструктоземы, представленные в городе в основном на футбольных полях [5].

В зоне застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями общей площадью 41.79 км² (5.06%) преобладающими почвами и почвоподобными образованиями являются урбостратоземы, квазиземы в районах новостроек, а также почвы и грунты, экранированные зданиями и дорожными покрытиями.

Зона застройки индивидуальными жилыми домами общей площадью 61.43 км² (7.43%) представлена окультуриваемыми урбостратоземами как правило на насыпных грунтах в совокупности с почвами и грунтами, экранированными зданиями и дорожными покрытиями, каштановыми урбистратифицированными почвами, а также квазиземами.

Для каждого из районов г. Волгограда характерно индивидуальное сочетание типов и подтипов почв в рамках вышеперечисленных. Например, в ходе картографирования установлено, что почвенный покров Центрального района города наиболее однороден и представлен в основном урбостратоземами с глубиной преобразования профиля от 2 м и более, различными квазиземами, а также большими площадями запечатанных почв. Для территории Советского района отметается ярко выраженное преобладание агроземов текстурно-карбонатных в почвенном покрове, Кировский район характеризуется большими площадями пойменных аллювиальных почв, а также наличием солонцов светлых квазиглеевых.

Картографирование почвенного покрова Волгограда позволило дать общую оценку фонда естественных и антропогенных глубокопреобразованных почв. По данным картографирования отмечено значительное преобладание естественных почв (66.3% от всей площади города) над антропогенными (33.7% соответственно). Такое распределение также характерно для городов Нанкин (61% естественных почв) [35], Пермь (59%) [4, 22], Биробиджан (64.5%) [6, 27].

Для территории Краснооктябрьского и Центрального районов города, наоборот, отмечается преобладание антропогенных почв (свыше 74% от площади районов), что обусловлено высокой насыщенностью жилыми кварталами и производственными объектами. Такие районы, как Дзержинский и Красноармейский при сохранении общей для города закономерности, характеризуются присутствием почв с опасными уровнями загрязнения (урбостратоземы химически загрязненные), связанных с промышленными зонами, которые занимают 16.27 и 26.59% их территории соответственно.

Самый высокий процент естественных и естественных поверхностно-преобразованных почв наблюдается в Советском (84.6%) и Кировском (81.45%) районах, что связано с наличием на их территории земель, преимущественно относимых к категории сельскохозяйственных угодий и не используемых под жилищное строительство, а также с сохранившимися крупными зелеными массивами.

Таким образом, установлена приуроченность естественных почвенных типов к западным, а антропогенно-преобразованных к восточной и центральной частям города. Это обусловлено отсутствием застройки и слабой вовлеченностью в процессы урбанизации на сегодняшний день западных окраин, для которых единственным направлением изменений являются различные виды сельскохозяйственной обработки почвы и замусоривание поверхностного слоя. Преобладание антропогенно-преобразованных почвенных разностей в восточной части города связано с тяготением основных объектов промышленности, жилого фонда и транспортной инфраструктуры к берегу р. Волга.

В настоящий момент задача по определению степени запечатанности почвенного покрова городов является приоритетной. Наиболее распространенным методом является спектральный анализ космоснимков по различным цветовым каналам, применявшийся для анализа территории г. Мадрида с запечатанностью почв 29.36% от общей площади [26], районов г. Мадрида Кольменар-Вьехо (2.61%) [25] и Куэнка-дель-Гвадаррама (9.0%) [27], ВАО г. Москвы [11, 21] и Московской агломерации (10–20%) [19]. Данный подход позволяет с точностью до 97% определить общую запечатанность поверхности. В указанных примерах, за исключением ВАО Москвы, не рассматривался тип экранируемой почвы и характер покрытия. При определении степени запечатанности почвенного покрова г. Волгограда применяли метод ручного дешифрирования космоснимков отдельных районов и функциональных зон, для территории которых была выявлена средняя запечатанность, но при этом учитывали тип запечатываемой почвы по классификации WRB 2014 и характер покрытия. Полученные на текущий момент результаты позволяют получить актуальную информацию о степени освоения городского пространства и в дальнейшем могут быть детализированы на основе применения метода спектрального анализа космоснимков территории города. Задача по определению степени запечатанности почвенного покрова г. Волгограда является одной из приоритетных, так как все открытые участки территории города могут быть в дальнейшем озеленены и благоустроены. Зеленые насаждения в городской среде выполняют важную климаторегулирующую и экологостабилизирующую роль, а также обеспечивают комфортность городской среды за счет рекреационных и эстетических свойств. Это особенно актуально для территории г. Волгограда с учетом низкой обеспеченности защитными насаждениями (11–13 м²/чел. из рекомендованных для крупных городов 24.6 м²/чел.) и степени их сохранности [3].

По описанной методике [8] получены расчетные значения средней запечатанности почв, определено соотношение открытых и запечатанных почв для функциональных зон и районов г. Волгограда (рис. 2, 3) и составлена картосхема запечатанности почв для всей городской территории (рис. 4).

Рис. 2.

Средняя степень запечатанности почв по функциональным зонам (1 – зона коллективных садов и дач; 2 – зона застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями; 3 – зона застройки индивидуальными жилыми домами; 4 – промышленная зона; 5 – зона транспортной инфраструктуры; 6 – зона озелененных территорий рекреационного значения, земли запаса, пустыри, зона сельскохозяйственного использования, зона кладбищ, зона спортивных и комплексных сооружений) г. Волгограда по данным дешифрирования, %.

Рис. 3.

Средняя запечатанность почвенного покрова по районам города Волгограда: I – Дзержинский; II – Тракторозаводской; III – Краснооктябрьский; IV – Центральный; V – Ворошиловский; VI – Советский; VII – Кировский; VIII – Красноармейский.

Рис. 4.

Запечатанность почвенного покрова г. Волгограда под зданиями и дорожными покрытиями, % (масштаб 1 : 35000). Функциональные зоны: 1 – зона коллективных садов и дач; 2 – зона застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями; 3 – зона застройки индивидуальными жилыми домами; 4 – промышленная зона. 5 – зона транспортной инфраструктуры; 6 – зона озелененных территорий рекреационного значения, земли запаса, пустыри, зона сельскохозяйственного использования, зона кладбищ, зона спортивных и комплексных сооружений. На врезке районы г. Волгограда: I – Дзержинский; II – Тракторозаводской; III – Краснооктябрьский; IV – Центральный; V – Ворошиловский; VI – Советский; VII – Кировский; VIII – Красноармейский.

Для рассматриваемых функциональных зон степень запечатанности варьирует в широких пределах. Так, наибольшие значения запечатанности поверхности почвы (81–90%) характеризуют промышленную зону, с максимумом (до 100%) для объектов транспортной сети. Широкий интервал значений (28–68%) соответствует территориям зон городской застройки с много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями и индивидуальными жилыми домами. Минимальные значения (1–8%) соотносятся с зонами коллективных садов и дач. Отдельно выделены территории со степенью запечатанности менее 1%, им соответствуют зоны озелененных территорий рекреационного значения, сельскохозяйственного использования, зона кладбищ, спортивных и комплексных сооружений, а также земли запаса и пустыри.

В результате анализа данных о запечатанности почв районов города можно сделать вывод, что общая площадь запечатанных почв составляет 145.07 км². Наиболее запечатанными оказались почвы в Дзержинском, Центральном, Краснооктябрьском и Красноармейском районах. Это связано с тем, что в этих районах наиболее развита дорожно-транспортная сеть, сосредоточены основные промышленные объекты и проживает значительная часть населения города. Почвы Советского и Кировского районов показали наименьшую долю запечатанности почвенного покрова. Это обусловлено тем, что на их территориях в основном располагаются сельскохозяйственные угодья (Советский район) и участки, не вовлеченные в процесс урбанизации (остров Сарпинский в составе Кировского района). Полученные сведения о степени запечатанности территории г. Волгограда позволяют объективную картину освоения городского пространства и определить перспективные направления его развития.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые в сухостепной зоне в современных границах г. Волгограда в полном объеме был применен подход М.Н. Строгановой при картографировании пространственного распределения отдельных типов (подтипов) почв и техногенно-поверхностных образований на основе актуальных почвенных классификаций с учетом степени детализации (масштаб 1 : 35 000) и привязки к функциональному зонированию. Еще одним значимым результатом является составленная впервые карта-схема степени запечатанности почвенного покрова г. Волгограда и ее расчетные значения для отдельных функциональных зон и районов города.

Почвенный покров города Волгограда несет на себе отпечаток структуры и характера землепользования и представляет собой многообразие почвенных комбинаций как природного, так и антропогенного происхождения.

Общая доля запечатанных почв составляет 18% от площади города и напрямую связана с площадью зоны жилой застройки, степенью развития промышленности и транспортной инфраструктуры. Низкая степень запечатанности почвенного покрова г. Волгограда во многом обусловлена увеличением площади города путем присоединения в 2014 г. сопредельных территорий с естественными и естественно-антропогенными поверхностно-преобразованными почвами. Увеличение площади естественных почв в границах города можно рассматривать как фактор увеличения природоохранного и рекреационного потенциала его территории.

Изучение запечатанности почвенного покрова, особенно с учетом высокой климаторегулирующей роли растений в условиях континентального климата аридной зоны, в сочетании с данными почвенного картографирования дает возможность раскрыть потенциал территории в целях повышения эффективности озеленения и разработки системы экологического каркаса города.