CC BY
10
УДК 631.423.6
ГОРОДСКИЕ ПОЧВЫ ОДНОГО ИЗ РАЙОНОВ НОВОЙ МОСКВЫ КАК ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ МЕТАНА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ
С. А. Кулачкова*, А. В. Коваленко
МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 *E-mail: kulachkova_sa@inbox.ru
В поселке Коммунарка (Новая Москва) на участках застройки 1938-2014 гг. и в рекреационной зоне исследованы закономерности эмиссии СН4 и СО2 из почв и определяющие их факторы. Показано, что интенсивность образования и окисления метана и, как следствие, содержание этого газа в почвах и эмиссия в атмосферу зависят от времени создания реплантоземов и возраста городских почв. В летний период эмиссия метана из почв селитебной зоны по медианным значениям отсутствовала или не превышала 0,01 мг СН4 ■ м-2 ■ ч-1. Происходило поглощение метана из атмосферы. Однако наблюдалась локальная эмиссия СН4 из некоторых почв. В период с достаточным увлажнением ее максимальная интенсивность из самых молодых репланто-земов достигала 5,25 мг СН4 ■ м-2 ■ ч-1 и уменьшалась на порядок из почв у домов 2001 г. постройки и старше. В засушливый период локальная эмиссия из молодых реплантоземов составляла всего 0,03 мг СН4 ■ м-2 ■ ч-1 и снижалась в 3 раза у домов 1938 г. постройки. Наиболее опасным источником метана в атмосферу были переувлажненные городские почвы, содержащие бытовой мусор. Максимальная эмиссия СН4 из них составила 57,15 мг СН4 ■ м-2 ■ ч-1. Содержание углекислого газа в техногенных горизонтах реплантоземов и серогумусовых техногенных почв уменьшалось с увеличением возраста застройки. Эмиссия углекислого газа в меньшей степени, чем метана, зависела от времени формирования почв. Тем не менее в условиях достаточного увлажнения максимальное выделение СО2 в атмосферу происходило из молодых реплантоземов (до 3606 мг СО2 ■ м-2 ■ ч-1), а в условиях недостаточного — из почв более старых микрорайонов (до 664 мг СО2 ■ м-2 ■ ч-1) и из перегнойно-глеевых почв (до 1901 мг СО2 ■ м-2 ■ ч-1).
Ключевые слова: парниковые газы, метаногенез, метанокисление, дыхание почв, эмиссия газов из почв, городские почвы (Urbic Technosols).
Введение
Метан и углекислый газ — парниковые газы, содержание которых в атмосфере ежегодно увеличивается, что считается одной из причин климатических изменений на планете. В 2018 г. глобальные усредненные молярные доли этих газов обновили свой максимум и составили 1,869 ррт СН4 и 407,8 ррт СО2, представляя 259 и 147% по отношению к доиндустриальным (до 1750 г.) уровням [36].
Города вносят значительный вклад в поступление парниковых газов в атмосферу. В Москве ежегодно в рамках составления кадастров выбросов парниковых газов ведется учет их выделения в атмосферу. Основными источниками выступают: стационарные единицы, выбросы которых связаны с энергопотреблением и прямыми утечками (76,8%), транспорт (15,7%), отходы (0,25%), промышленные процессы (7,2%), сельское и лесное хозяйство (0,02%) [6]. Эмиссия парниковых газов из городских почв в кадастрах не учитывается, хотя из литературы известно, что она может быть значительна. Так, например, показано, что в селитебных зонах г. Бостона количество углекислого газа, поступившего в атмосферу от дыхания почв, составляло 72% от выброса СО2 автотранспортом [26].
Исследование городских почв как источников или стоков метана и углекислого газа актуально по нескольким причинам. Во-первых, при строительстве часто происходит изменение рельефа — засыпка оврагов, русел малых водотоков насыпными грунтами. Насыпные грунты могут содержать строительно-бытовой мусор, и в условиях недостатка кислорода такие грунты потенциально способны к газогенерации и накоплению компонентов биогаза до опасных концентраций. Почвы могут как выступать барьером, предотвращающим поступление метана и углекислого газа из погребенных насыпных грунтов в атмосферу, так и сами активно генерировать эти газы [11, 31]. Во-вторых, при благоустройстве и озеленении городских территорий часто используются почвогрунты на основе торфо-компостных материалов, при минерализации которых выделяются значительные количества углекислого газа [17].
Данные по выделению парниковых газов из городских почвенных объектов сильно разнятся, что обусловливает необходимость дальнейших исследований. С одной стороны, показано увеличение эмиссии СО2 из искусственно созданных почв газонов по сравнению с природными почвами при положительной корреляции с содержанием органи-
ческого вещества [26]. Эмиссия СО2 из городских почв промышленной и селитебной зон может быть на 25% выше, чем из естественных пригородных экосистем, что связано с изменением температурного и водного режимов, переуплотнением и физическим нарушением поверхности [14]. С другой стороны, есть публикации, свидетельствующие об угнетении дыхания городских почв в связи с загрязнением тяжелыми металлами [29, 32].
Городские газоны могут быть как очень слабыми источниками, так и преимущественно стоками атмосферного метана. По сравнению с естественными луговыми сообществами интенсивность поглощения атмосферного метана в городских газонах снижается вдвое, что связано с высоким содержанием неорганического азота в почвах и экстремально высокой или низкой влажностью [28]. По другим данным [27] способность поглощать метан в газонах полностью отсутствовала. Стоком атмосферного метана выступают и почвы лесопарков в городе [2], а значительная эмиссия метана в атмосферу наблюдается только с полигонов ТБО [7].
Цель работы — оценить городские почвы поселка Коммунарка (Новая Москва) как источники поступления метана и углекислого газа в атмосферу.
Задачи исследования:
1) установить закономерности процессов цикла метана и выделения углекислого газа в городских почвах в зависимости от времени создания и увлажнения;
2) выявить типы почв и условия протекания эмиссии СН4 и СО2 с максимальной интенсивностью.
Материалы и методы
Объектами исследования выступали техногенные поверхностные образования (ТПО) и почвы в жилых районах разных лет застройки поселка Коммунарка. Это один из интенсивно застраиваемых районов Новомосковского административного округа г. Москвы, находящийся в 4 км от Московской кольцевой автодороги по Калужскому шоссе. Здесь на относительно небольшой площади находятся современные и построенные более чем 80 лет назад дома. Годы застройки устанавливались по базам данных недвижимости и разновременным космическим снимкам (Google Earth). Ключевые участки в селитебной зоне (№ 1-7, 10, 12, 15 и 18) закладывались у домов 1938, 1964, 1994, 2001, 2012 и 2014 гг. постройки (соответствие участков годам застройки приведено в табл. 1, 2). Кроме того, исследованы два ключевых участка вблизи жилых домов в рекреационной зоне в пойме притока р. Малая Сосенка (№ 13, 14) и один — в «Липовом парке», территория которого не застраивалась (№ 11).
Двенадцать ключевых участков были заложены в середине июля 2018 г. (№ 1-7, 10-14), еще два — в начале июня 2019 г. (№ 15, 18). Исследования эмис-
сии газов и отбор поверхностных образцов почв на участках № 1-14 проводились в 2018 и 2019 гг. Полевые периоды отличались по количеству и режиму выпадения осадков. По данным метеостанции МГУ в течение месяца до отбора проб в 2018 г. осадков выпало меньше (47,2 мм), чем в 2019 г. (60,1 мм). Непосредственно за неделю, в которую проводились исследования, наоборот, в 2018 г. выпало 14,0 мм осадков, тогда как в 2019-м — всего 1,9 мм. Это отразилось на влажности поверхностных горизонтов, которая на большинстве участков в момент отбора была меньше в 2019 г. По среднесуточной температуре воздуха различия периодов исследований и предшествующего им месяца были не столь значительны: 21,5-22,0°С и 18,9-17,0°С соответственно. В отличие от воздуха температуры поверхности почв в 2019 г. еще не успели достичь уровня 2018 г. и были холоднее на 3-4°С.
Участки исследований закладывались вдали от деревьев и кустарников. В селитебной зоне они характеризовались сходной разнотравно-злаковой газонной растительностью. В пойме малой реки доминировали осоковые травы, растительный покров был разрежен вследствие рекреационной нагрузки. По этой же причине в «Липовом парке» посеянный злаковый газон был сильно редуцирован.
Почвообразующими породами в селитебной зоне выступали разновозрастные насыпные техногенные преимущественно суглинистые грунты, сформированные при строительстве; в рекреационной зоне поймы притока р. Малая Сосенка и «Липового парка» — природные тяжелосуглинистые отложения.
Каждый ключевой участок характеризовался почвенным разрезом. В горизонтах вскрытых почв отбирались смешанные образцы для химических и биологических анализов и определялись: гранулометрический состав — методом раскатывания, плотность и влажность почв (в трех повторно-стях) — буровым и термостатно-весовым методами соответственно [1], окислительно-восстановительный потенциал (в пяти повторностях) — потенци-ометрическим методом с помощью портативного мультифункционального рН/шУ/°С-метра HI 8314 (Hanna Instruments, Germany; точность ± 1мВ); температура почв — сенсором от HI 8314 (точность ± 0,4°C). На каждом участке определялись концентрация СН4 и СО2 в почвенных горизонтах и эмиссия газов с поверхности в пяти точках в 2018 г. и в трех точках в 2019 г. на площади около 1 м2. В эмиссионных точках измерялась температура почвы, отбирались поверхностные образцы (0-2 см) для определения влажности и биологических свойств почв.
Концентрация газов в почвенном воздухе определялась в непосредственной близости к разрезу в год его заложения. В пробуренные скважины устанавливались трубки из ПВХ (d = 3 см)
Таблица 1
Свойства сконструированных реплантоземов
Участок — год застройки Горизонт, глубина, см Характеристика горизонтов р, г/см3 Eh, мв рН Н2О С * ^орг > % Концентрация VnMr, нг/г в час VnBÖ СН4, нг/г в час
СО2, г/м3 СН4 мг/ м3
1-2014 RAT 0-5 торфоком-постный 0,5±0,0 520±12 6,5 >>10,0 2,2±0,3 1,3±0,0 1,142±0,147 3,5±1,5
ТСН1 5-39 среднесугли-нистый 1,6±0,1 473±5 7,7 1,1 20,1±0,2 1,2±0,2 0,076±0,018 5,7±2,5
ТСН2 39-60 тяжелосуглинистый 1,4±0,0 478±11 7,6 1,1 20,8±0,1 1,6±0,1 0,347±0,083 0,0±0,0
6-2014 RAT 0-11 торфоком-постный 0,4±0,1 485±10 7,0 >>10,0 2,7±0,0 1,3±0,0 1,564±0,961 33,1±14,5
ТСН 11-30 неоднородный: средне- и тяжелосуглинистый 1,6±0,1 469±8 7,2 0,8 5,9±0,2 1,2±0,0 0,070±0,041 4,8±2,6
30-76 1,6±0,0 - 7,8 0,7 6,3±0,1 1,3±0,2 0,058±0,021 4,8±2,1
7-2014 RAT10-9 гумусиро-ванный легкосуглинистый 0,9±0,1 451±10 7,3 6,8 4,2±0,1 1,3±0,0 0,619±0,228 14,9±3,4
RAT2 9-15 торфоком-постный 0,5±0,0 481±5 7,0 >>10,0 - - 1,221±0,075 23,1±10,1
ТСН 15-30 тяжелосуглинистый 1,4±0,0 479±12 7,4 4,8 12,0±0,1 1,3±0,0 0,141±0,010 5,6±5,0
30-57 - 494±2 7,2 - 12,2±0,1 1,4±0,0 0,098±0,036 7,4±3,2
5-2014 RAT 0-10 гумусирован-ный песчаный 1,3±0,2 464±19 7,2 1,3 4,9±0,1 1,3±0,1 0,246±0,091 5,9±3,2
ТСН1 10-60 среднесугли-нистый 1,5±0,1 479±9 7,6 1,8 9,2±0,0 1,3±0,1 0,875±0,322 6,0±2,6
ТСН2 60-95 смесь песка и глины - 464±16 7,3 0,4 10,1±2,4 1,9±0,0 0,069±0,021 3,0±1,3
4-2012 RAT 0-7 трансформированный торфо-компостный 0,5±0,0 475±8 6,3 >10,0 2,8±0,3 1,4±0,0 0,176±0,065 9,7±4,2
ТСН1 7-40 тяжелосуглинистый с песком 1,5±0,0 466±10 7,7 0,7 5,7±0,1 1,3±0,0 0,346±0,108 3,0±1,1
ТСН2 40-60 тяжелосуглинистый 1,5±0,0 458±13 7,2 0,4 4,5±0,1 1,4±0,0 0,141±0,029 11,3±8,5
10-1994 RAT 0-3 трансформированный торфо-компостный - 520±3 6,4 >10,0 - - 0,047±0,017 1,9±0,8
AY 3-16 легкосуглинистый 1,4±0,0 510±19 7,0 2,6 7,1±0,2 1,2±0,0 0,021±0,006 5,7±1,2
ТСН 16-50 тяжелосуглинистый 1,3±0,0 503±5 7,3 1,0 5,2±0,1 1,1±0,0 0,026±0,006 3,6±0,2
12-1964 RAT 0-7 трансформированный торфо-компостный 0,9±0,0 486 7,4 >10,0 2,7±0,2 1,3±0,0 0,048±0,018 3,2±0,7
ТСН1 7-55 песчаный 1,4±0,1 471±11 7,8 0,8 10,4±0,3 0,9±0,1 0,066±0,009 1,3±0,3
ТСН2 55-60 неоднородный песчано-сугли-нистый 1,4±0,1 - 7,1 0,8 6,1±0,2 1,0±0,1 0,029±0,007 1,8±0,4
Таблица 2
Свойства городских почв
Участок — год застройки, почва Горизонт, глубина, см Характеристика горизонтов р, г/см3 Eh, мв рн Н2О С * ^орг > % Концентрация VnMr, нг/г в час VnBo СН4, нг/г в час
СО2, г/м3 СН4, мг/м3
2-2012 Серогуму-совая техногенная AY 0-11 среднесугли-нистый 1,2±0,1 486±10 6,6 2,6 3,6±0,0 1,3±0,0 0,017±0,004 1,5±0,3
ТСН 11-30 от песчаного до тяжелосуглинистого 1,4±0,1 485±10 7,6 0,7 24,3±0,7 1,2±0,0 0,026±0,006 1,3±0,3
30-76 507±8 15,3±0,4 1,2±0,0 0,010±0,003 0,0±0,0
3-2001 Серогуму-совая техногенная AY 0-12 среднесугли-нистый 1,4±0,1 508±7 7,1 3,0 3,9±0,1 1,2±0,0 0,132±0,032 9,7±2,2
ТСН 12-30 средне- и тяжелосуглинистый 1,7±0,1 490±5 7,4 0,8 7,4±0,8 0,9±0,1 0,022±0,001 3,5±0,8
30-57 481±37 9,2±0,7 1,0±0,0 0,027±0,006 0,8±0,2
18-1964 Урбостра- тозем URay 0-10 среднесугли-нистый 1,0±0,0 434±21 7,0 8,5 3,7±0,5 1,3±0,0 0,041±0,010 4,3±1,0
UR 10-50 среднесугли-нистый 1,3±0,0 423±7 7,0 5,4 15,4±0,5 1,2±0,0 0,022±0,005 4,5±1,0
BEL 50-60 тяжелосуглинистый 1,4±0,0 - 6,9 1,2 16,6±0,2 1,4±0,1 0,013±0,003 2,9±0,7
15-1938 Урбостра- тозем URay 0-8 легкосуглинистый 0,8±0,1 537±26 6,6 6,6 4,1±0,0 1,0±0,0 0,065±0,016 15,6±3,3
UR 8-48 среднесугли-нистый 1,2±0,1 515±23 7,1 2,4 9,4±1,3 0,8±0,1 0,027±0,007 4,2±0,9
BEL 48-60 среднесугли-нистый 1,4±0,0 483±16 7,0 1,2 5,2±0,7 1,1±0,1 0,013±0,003 1,5±0,3
11 Серая с подсыпанным RAT RAT 0-5 гумусирован-ный легкосуглинистый 1,6±0,1 523±8 7,0 2,1 4,3±0,3 1,1±0,0 0,049±0,004 3,8±1,7
AY 5-14 легкосуглинистый 1,5±0,1 517±6 6,3 1,9 - - 0,018±0,003 3,5±0,8
AEL 14-22 легкосуглинистый 1,4±0,1 503±10 6,0 1,3 13,9±0,5 0,7±0,1 0,014±0,003 2,2±0,5
BEL 22-33 среднесугли-нистый 1,4±0,0 479±9 5,4 0,8 9,5±0,3 1,0±0,2 0,012±0,007 3,1±0,7
BT 33-60 тяжелосуглинистый 1,5±0,1 467±9 5,8 1,1 12,0±0,3 1,0±0,2 0,030±0,002 3,6±0,8
13 Техно-перегной-но-глеевая Н 0-8 перегнойный 0,8±0,0 469±24 6,6 >>10,0 7,4±0,5 17,3±0,1 0,072±0,026 4,1±0,9
TCH 8-13 тяжелосуглинистый - 353±66 7,3 0,2 - - 0,316±0,154 3,5±1,5
Gtch 13-51 тяжелосуглинистый 1,5±0,1 124±32 6,7 1,8 5,4±0,4 4301±122 0,625±0,230 1,9±0,4
14 Пере-гнойно-глеевая Н 0-7 перегнойный 0,5±0,1 556±19 6,4 >>10,0 3,9±0,4 1,4±0 0,363±0,243 3,1±0,7
Bg 7-45 тяжелосуглинистый 1,3±0,1 550±32 7,0 1,7 - - - 2,4±0,4
G 45-50 тяжелосуглинистый 1,4±0,0 202±17 6,4 1,5 10,0±0,3 28,7±0,8 0,632±0,152 2,6±0,9
* Приведены значения, определенные методом Тюрина в модификации Никитина, для горизонтов RAT c содержанием >10%. Пояснения в тексте.
с сеткой внизу и герметичными резиновыми пробками сверху. Трубки помещались на глубину, соответствующую горизонтам почвенного профиля (как правило, 5-10, 30-40 и 50-60 см). Через сутки пробы воздуха в двухкратной повторности отбирались в инсулиновые шприцы (V = 1 см3) после перемешивания воздуха в трубке шприцами большего объема (20 см3).
Эмиссия метана и углекислого газа с поверхности почвы определялась статическим камерным методом. В качестве камер использовались жестяные сосуды правильной цилиндрической формы (Ь = 11,5 см, d основания 10 см). Они ставились на пластиковые основания, которые предварительно (как минимум за 30 минут) врезались в почву на глубину 3-4 см. Отбор на разных участках производился в максимально короткие сроки, в одинаковое время суток (с 10 до 13 часов дня), в сходных погодных условиях в дни без осадков. Воздух в камерах перемешивался непосредственно перед отбором с помощью шприца объемом 20 см3. Для отбора проб воздуха использовались инсулиновые шприцы, которые герметично закрывались и в течение 2-3 часов доставлялись в лабораторию для анализа. Время экспозиции для СО2 составляло 3 минуты, для СН4 — 30 минут. Данное время использовалось в ряде работ [9, 13-15, 24] и было выбрано нами на основе предварительных экспериментов, в которых измерения эмиссии СО2 проводились через 3, 6, 9, 12 минут, а СН4 — через 15, 30, 45, 60 минут. В результате было установлено время, за которое изменение концентрации газов в камере аппроксимировалось линейной зависимостью, и расчет эмиссии газов мг • м-2 • ч-1) можно было вести по формуле [16]:
q = АС • 1000 • Ь / М , (1)
где АС — изменение концентрации газов в камере (г/м3) за время экспозиции А1 (ч), Ь — высота камеры (м).
Количественный анализ содержания метана и углекислого газа проводился на газовом хроматографе модели Кристаллюкс 4000М (НПФ «Мета-хром», Йошкар-Ола, Россия) с пламенно-ионизационным детектором и детектором по теплопроводности соответственно. Длина колонок 3,2 м, наполнитель — Полисорб-1, газ-носитель — гелий, расход газа-носителя — 30 мл/мин. При определении метана температура колонок составляла 40°С, детектора — 120°С, испарителя — 60°С, расход водорода — 28 мл/мин, воздуха — 280 мл/мин, объем анализируемой пробы 1 см3. При определении углекислого газа температура колонок составляла 50°С, детектора — 60°С, испарителя — 60°С, ток измерительных элементов 100 мА, объем анализируемой пробы 0,5 см3. Перед анализом проводился контроль стабильности градуировки хроматографа. Погрешности результатов измерений, уста-
новленные при поверке хроматографа, — 1,5% для СН4, 2,0% для СО2. рН водной вытяжки измерялся потенциометрическим методом на Hanna pH 211 (соотношение вода : почва — 1 : 2,5) [20], углерод органических соединений — методом Тюрина в модификации Никитина с фотометрическим окончанием [10]. Для оторфованных рекультивационных и перегнойных горизонтов содержание органического вещества определено гравиметрическим методом по ГОСТ 26213-91 [5].
Скорости потенциального биологического окисления и образования метана устанавливались кинетическим методом по поглощению и выделению метана в закрытых инкубируемых сосудах соответственно (в двух повторностях для горизонтов почв и в пяти повторностях в поверхностных образцах на ключевых участках). Перед экспериментами образцы воздушно-сухой почвы помещались во флаконы, доводились до влажности 20% и инкубировались в эксикаторе над водой при комнатной температуре (22-24°С) в течение 4-5 суток [8, 19] для восстановления равновесия микробного метаболизма.
При определении потенциальной скорости окисления метана использовались флаконы объемом 50 см3, навески воздушно-сухой почвы массой 15 г. Объем газовой фазы составлял 38,5-41 см3. После предварительной инкубации, описанной выше, флаконы герметично закрывались, в них вводился метан (100%) в объеме 0,2 мл, измерялась начальная концентрация, через 24 и 72 часа. Временные интервалы выбраны на основе работ [24, 30] и собственных экспериментов, в которых за это время происходило линейное снижение концентрации. Параллельно проводился такой же опыт, но с добавлением ацетилена (3 мл) как ингибитора фермента метанмонооксигеназы. Скорости поглощения метана рассчитывались с помощью линейной регрессии (в координатах время-концентрация) и выражались в нг СН4 • г-1 • ч-1. Скорость потенциального бактериального окисления метана (УПБО) определялась по разнице скоростей в опыте без ацетилена и с ацетиленом. Высокие начальные концентрации метана использовались потому, что предполагалось, что строительные насыпные грунты, на которых развиваются почвы селитебной зоны, могут быть газогенерирующими и микроорганизмы адаптированы к содержанию метана, превышающему атмосферное.
При определении скорости потенциального метаногенеза использовались пенициллиновые флаконы, навески почвы массой 5 г. Объем газовой фазы составлял 11,2-12 см3. После предварительной инкубации, описанной выше, флаконы герметично закрывались. Воздух во флаконе замещали азотом, искусственно создавая анаэробные условия. Концентрацию метана во флаконе измеряли через сутки [19] и через семь суток [3]. Скорость потенциально-
го метаногенеза (УПМГ) рассчитывали с помощью линейной регрессии (в координатах время-концентрация) [24] и выражали в нг СН4 • г-1 • ч-1.
Статистическая обработка данных проводилась в программе StatSoft Statistica 12.0. Соответствие данных нормальному распределению проверялось путем визуальной оценки гистограмм и по критерию Шапиро-Уилка. Для эмиссии газов, биологического образования и окисления метана, гидротермических показателей нормальность распределения не подтвердилась, поэтому в дальнейшем анализе использовались непараметрические методы. Сравнение выборок для разных почв проводилось по U-тесту Манна-Уитни, для разных периодов — по тесту согласованных пар Уилкоксона. На рисунках показаны медианы и межквартильный размах. Оценка связей между почвенными показателями устанавливалась на основе рангового коэффициента корреляции Спирмена. Уровень значимости принимался равным 0,05. В табл. 1 и 2, а также по тексту приведены средние значения для горизонтов ± стандартное отклонение для n > 2.
Названия почв даны по Классификации и диагностике почв России 2004 г. [21], а также по работе Т.В. Прокофьевой с соавторами [12] приведены названия по WRB.
Результаты
Характеристика почв и ТПОрайона исследования. В почвенном покрове исследованных участков селитебной зоны поселка Коммунарка представлены реплантоземы (Urbic Technosol (Folinovic or Huminovic)), серогумусовые техногенные почвы (Urbic Technosol (Someriumbric)) и урбостратоземы на погребенных почвах (Urbic Technosol (Humic) on buried Luvisol). Свойства ТПО и почв показаны в таблицах 1 и 2.
В микрорайонах 2012-2014 гг. застройки доминировали реплантоземы, созданные при недавнем благоустройстве при подсыпке почвогрунтов на техногенные строительные грунты. Реплантоземы можно было обнаружить и в микрорайонах более ранней застройки, что связано с проведением ремонтных работ и последующей рекультивацией территорий или с обновлением благоустройства. Как правило, поверхностные рекультивационные горизонты RAT были созданы на основе торфокомпост-ных смесей, реже встречались легкосуглинистые и песчаные минеральные гумусированные варианты. Все они были темно-серой, почти черной окраски, мажущиеся, бесструктурные с ровными границами и резким переходом к нижележащей толще. Плотность торфокомпостных горизонтов составляла 0,4-0,5 г/см3, по мере трансформации увеличивалась до 0,9 г/см3, плотность минеральных горизонтов была 1,0-1,3 г/м3. Влажность торфокомпостных горизонтов была 45,1 ± 5,3%, трансформированных — 26,9 ± 7,2%, легкосуглинистых — 23,9 ± 1,8%,
песчаных — 15,1 ± 3,5%, температура — 20,9 ± 1,5°С. Во всех типах горизонтов RAT реакция среды варьировала от слабокислой до слабощелочной, обстановка окислительная. Самое высокое содержание органического вещества отмечалось в молодых торфокомпостных горизонтах (Сорг >> 10% по фотометрическому определению, 52-55% органического вещества по гравиметрическому определению). По мере их минерализации оно снижалось в 3 раза (Сорг > 10% по фотометрическому определению, 17-18% органического вещества по гравиметрическому определению). Техногенные горизонты TCH во всех реплантоземах представляли собой неоднородный по гранулометрическому составу, преимущественно средне- и тяжелосуглинистый, с примесью песка, с включениями строительного мусора, часто вскипающий от HCl материал с глыбистой структурой. Плотность сложения 1,4-1,6 г/см3, влажность 14,1 ± 2,0%, температура 19,4 ± 2,0°С в средней и 18,5 ± 2,0°С в нижней части профиля, реакция среды слабощелочная и щелочная, обстановка окислительная. Как правило, для техногенных горизонтов свойственно невысокое содержание органического углерода (0,4-1,1%), но встречались и горизонты с Сорг 1,8-4,8%. Кроме того, в насыпной техногенной толще встречались локальные фрагменты, обогащенные органическим веществом.
В микрорайонах 2001 и 2012 гг. застройки при отсутствии недавних поверхностных трансформаций сформировались серогумусовые техногенные почвы. Серогумусовые горизонты AY среднесу-глинистые, с комковато-порошистой структурой, с включением мелкого щебня и кирпича, с волнистой границей и не таким резким переходом к техногенной толще, как в реплантоземах. Плотность сложения 1,2-1,4 г/см3, влажность 18,9 ± 1,6%, температура 22,0 ± 0,0°С, реакция среды нейтральная, обстановка окислительная, содержание органического углерода 2,6-3,0%. Техногенные горизонты TCH серогумусовых почв по свойствам были близки к ТСН реплантоземов.
В самых старых микрорайонах, построенных в 30-60-х гг. прошлого века, как правило, доминировали урбостратоземы, подстилаемые субэлювиальными горизонтами природных почв. Они характеризовались серыми и серовато-бурыми тонами окраски, структурой с признаками комковатости и глыбистости, включением артефактов (кирпича, извести, угля и т.д.), постепенным переходом между урбиковыми горизонтами и резким — с подстилающей толщей. Плотность увеличивалась с глубиной от 0,8-1,0 до 1,2-1,4 г/м3, реакция среды нейтральная по всему профилю, условия окислительные, содержание органического углерода в урбиковых горизонтах варьировало от 2,4 до 8,5% и резко уменьшалось в подстилающих субэлювиальных горизонтах. Урбостратозем у дома 1938 г. характеризовался более влажными условиями верхнего го-
ризонта, чем у дома 1964 г. (31,4 ± 5,9% и 14,0 ± 5,0% соответственно). Остальные горизонты не отличались от описанных выше почв по влажности и тем пературе.
Для сравнения рассматривались почвы не застраиваемых ранее территорий - серые почвы парка с подсыпанным минеральным горизонтом RAT (Albic Luvisol (Cutanic, Loaminovic)), сформированные под липовыми насаждениями. Почвы переуплотнены с поверхности (1,5-1,6 г/см3), гранулометрический состав изменялся от легкосуглинистого в верхних горизонтах до тяжелосуглинистого в иллювиальных. Влажность уменьшалась от 17,2 ± 3,1% в гумусированных до 14,1 ± 0,7% в более глубоких горизонтах. Варьирование температуры укладывалось в диапазоны других почв. Реакция среды была нейтральная в насыпном горизонте RAT и подкислялась вниз по профилю, условия окислительные, содержание органического углерода уменьшалось от верхних гумусированных горизонтов (1,9-2,1%) к иллювиальным в два раза.
В пойме притока р. Малая Сосенка были распространены аллювиальные техно-перегнойно-гле-евые почвы (Folic Gleyic Fluvisol) тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Органического вещества в перегнойных горизонтах (34-40%) было меньше, чем в торфокомпостных горизонтах ре-плантоземов, с глубиной его количество резко снижалось. Влажность и температура в перегнойных горизонтах составляли 50,2 ± 6,3% и 19,4 ± 1,7°С, в глеевых — 31,8 ± 6,0% и 15,8 ± 0,8°С соответственно. Окислительные условия перегнойных горизонтов сменялись восстановительными в глеевых. Техно-перегнойно-глеевая почва содержала техногенный горизонт и бытовой мусор, характеризовалась более высоким значением рН и более низкими показателями Eh по сравнению с ненарушенной почвой. Она может служить примером того, что может происходить с погребенными захламленными техногенными грунтами в анаэробных условиях.
Составляющие цикла метана
в городских почвах и ТПО
Содержание метана. Концентрация метана в верхних горизонтах, находящихся в постоянном газообмене с приземной атмосферой, слабо варьировала в почвах микрорайонов разных лет застройки (табл. 1, 2). В рекультивационных горизонтах реплантоземов она составляла 1,3-1,4 мг/м3, в серогумусовых — 1,2-1,3 мг/м3, в урбиковых — 1,0-1,3 мг/м3. Наибольшая концентрация отмечалась в перегнойном горизонте техно-перегной-но-глеевой почвы, она превышала остальные на порядок.
Распределение метана по профилю различалось в почвах разного возраста и увлажнения. В реплан-тоземах моложе 2012 г. и переувлажненных почвах содержание метана, как правило, увеличивалось в
нижней части профиля. В реплантоземах микрорайонов 1994 и 1964 гг., в серогумусовых техногенных почвах и серых почвах парка количество метана вниз по профилю убывало, в урбостратоземах — достоверно не отличалось.
Концентрация метана в самых нижних техногенных горизонтах была наибольшей в реплан-тоземах, созданных в 2012 г. и позже (в среднем 1,5 ± 0,3 мг/м3, с максимумом 1,9 мг/м3 (2,9 ppm)). Как правило, она превышала показатели природного иллювиального горизонта почвы парка, максимально в 1,6 раза. В аналогичных горизонтах серогумусовых почв того же времени и нижних горизонтах урбостратозема, формирующегося с 1964 г., содержание СН4 было меньше, но значимо не отличалось. В техногенных горизонтах реплантозе-мов и серогумусовых почв в микрорайонах старше 2001 г., а также в урбиковых горизонтах урбостра-тоземов 1938 г. концентрация метана была самой низкой.
От вышеназванных групп почв значительно отличались переувлажненные почвы. Концентрация СН4 в глеевых горизонтах техно-перегнойно-глеевых почв достигала 4301 мг/м3 (6472 ppm), что по строительным нормативам [18] является потенциально опасным. В перегнойно-глеевой почве без включений бытового мусора содержание метана в глеевом горизонте было ниже на два порядка при близких показателях содержания углерода органического вещества и рН (табл. 2).
Показатели содержания метана в почвах определялись соотношением процессов его образования и окисления, на которых остановимся ниже.
Потенциальное биологическое образование метана в профиле почв. Среди верхних гумусированных горизонтов наибольшие скорости потенциального метаногенеза наблюдались в рекультива-ционных горизонтах реплантоземов, созданных в 2014 г. (табл. 1). Отмечалась тенденция уменьшения метаногенеза от торфокомпостных RAT, в которых скорость была в среднем 1,309 ± 0,480 нг СН4 • г-1 • ч-1, к легкосуглинистым и песчаным (в 2 и 5 раз соответственно). В трансформированных торфокомпостных RAT у домов 2012 и 1994 гг. образование метана снижалось на один порядок, у дома 1964 г. — на два порядка. Минимальная скорость потенциального метаногенеза была у серогумусового горизонта почвы парка (0,018 ± 0,003 нг СН4 • г-1 • ч-1) и молодого серогумусового горизонта у домов 2012 г. постройки (табл. 2). Верхние урбиковые горизонты могли генерировать метан в 1,5-2 раза интенсивнее природных. Еще выше скорость метанобразова-ния может быть в перегнойных горизонтах переувлажненных почв, но при этом она не достигала величин рекультивационных торфокомпостных горизонтов.
В почвах и ТПО с окислительными условиями потенциальная скорость метаногенеза уменьшалась
от верхних горизонтов к самым нижним. В переувлажненных почвах более интенсивное образование метана было в нижних горизонтах.
В техногенных горизонтах реплантоземов скорость потенциального метаногенеза уменьшалась с возрастом их создания (табл. 1). В ТСН 2012-2014 гг. медианное значение было 0,141 нг СН4 • г-1 • ч-1, в ТСН 1994 и 1964 г. — уменьшалось на порядок (0,029 нг СН4 • г-1 • ч-1). В техногенных горизонтах се-рогумусовых почв и в урбиковых горизонтах значения не поднимались выше 0,027 ± 0,007 нг СН4 • г-1 • ч-1 , что соответствовало показателям серой почвы парка, где скорость метаногенеза в иллювиальном горизонте была такой же (табл. 2). Самой высокой потенциальной интенсивностью образования метана характеризовались глеевые горизонты переувлажненных почв поймы притока р. Малая Сосенка (в среднем 0,628 ± 0,159 нг СН4 • г-1 • ч-1).
Потенциальное бактериальное окисление метана в профиле почв. Среди верхних гумуси-рованных горизонтов наибольшая скорость потенциального окисления метана, как правило, наблюдалась в торфокомпостных рекультивационных горизонтах реплантоземов 2014 г. создания (в среднем 19,9 ± 15,6 нг СН4 • г-1 • ч-1). В легкосуглинистых и песчаных RAT она была меньше, но не достоверно (табл. 1). В группе реплантоземов наименьшее потенциальное метанокисление характеризовало трансформированные торфокомпостные гори-
зонты у домов 1994 и 1964 гг. (в среднем 2,5 ± 1,0 нг СН4 • г-1 • ч-1)). Оно не отличалось от показателей се-рогумусовых горизонтов почвы парка (3,5 ± 0,8 нг СН4 • г-1 • ч-1) и молодой серогумусовой техногенной почвы, формирующейся с 2012 г. (табл. 2). Невысокая интенсивность метанокисления была и в урбиковых горизонтах почв у дома 1964 г. В серогу-мусовых техногенных почвах и урбостратоземах скорость потенциального окисления метана с увеличением возраста горизонтов повышалась более чем в 3 раза. Потенциальная метанокисляющая способность у перегнойных горизонтов переувлажненных почв была низкой.
Скорость потенциального окисления метана, за некоторым исключением, уменьшалась по профилю почв и ТПО от верхних гумусированных горизонтов к самым нижним. В реплантоземах на участках 4, 5 и 7, а также в урбостратоземе участка 18 и в серой почве парка бактериальное окисление по профилю достоверно не отличалось.
В техногенных горизонтах реплантоземов моложе 2012 г. скорость потенциального окисления метана, как правило, не достоверно, но превышала уровень иллювиальных горизонтов природной почвы парка (в среднем 5,2 ± 3,0 и 3,3 ± 0,7 нг СН4 • г-1 • ч-1 соответственно). В таких же горизонтах ТПО у домов 1964-1994 гг. и у всех серогумусовых почв показатели были не выше природных. Срединные урбиковые горизонты характеризовались
6 5 4
3 -2 1
0
i
6
♦ 2019 □ 2018
I
9
9
о
□
30 25 20 15 10 5
?
0
I
ш
□
2014 2012 1994 1964 Реплантоземы
2012
2001
1964
1938
ТПГ
ПГ
Техно-
Серогумусовые Урбостратоземы Серые перегнойно-техногенные глеевые
Рис. 1. Потенциальная скорость образования (А) и окисления (Б) метана в поверхностных горизонтах почв (медианы, планки — верхний и нижний квартиль, п = 3-12 для 2019 г., п = 5-20 для 2018 г.)
Рис. 2. Влажность (А) и температура (Б) поверхностных горизонтов почв (медианы, планки — верхний и нижний квартиль, п = 3-12 для 2019 г., п = 5-20 для 2018 г.)
в среднем в 2 раза большей скоростью метанокис-ления по сравнению с субэлювиальными горизонтами. Окисление метана в глеевых горизонтах переувлажненных почв было низким.
Динамика потенциального биологического образования и окисления метана в поверхностных горизонтах почв. В поверхностных горизонтах реплантоземов 2014 г. скорость потенциального метаногенеза и окисления не уменьшалась от торфокомпостных горизонтов к минеральным, как это было выявлено выше по смешанным образцам из гумусированных горизонтов, поэтому они были объединены в одну выборку.
В 2018 г. медианные значения скорости потенциального метаногенеза в поверхностных горизонтах, так же как и в целом для гумусированных горизонтов, описанных выше, были наибольшими у реплантоземов 2014 г. создания (2,266 нг СН4-г-1-ч-1), в 2 раза ниже — 2012 г., в остальных группах они уменьшались еще сильнее (рис. 1А, 2018 г.). В 2019 г. выявленные в 2018 г. закономерности в общем подтвердились (рис. 1А, 2019 г.). Однако на некоторых участках скорость потенциального метаногенеза возросла. Заметнее всего это было в реплантоземах 2012 г. и переувлажненной техно-перегнойно-глее-вой почве. Высокая интенсивность потенциального образования метана отмечалась в урбостратоземах у домов 1938 г. постройки (3,401 нг СН4-г-1-ч-1).
В 2018 г. медианные значения скорости потенциального окисления метана в поверхностных горизонтах были наибольшими в реплантоземах 2012 и 2014 гг. создания (16,1 и 9,9 нг СН4 • г-1 • ч-1 соответственно) (рис. 1Б, 2018 г.). В остальных группах почв интенсивность потенциального метанокисления была меньше. Закономерности пространственного изменения, описанные ранее для гумусированных горизонтов, повторились и по поверхности. Они сохранились и в 2019 г., но количественные показатели стали выше: в реплантоземах скорость потенциального окисления метана возросла в 1,2-1,4 раза, в серогумусовых техногенных почвах — в 1,2-2 раза, в серых — в 6 раз и в техно-перегнойно-глеевых — на порядок (рис. 1Б, 2019 г.).
Описанные выше различия метаногенеза и метанокисления в поверхностных горизонтах в группах почв разных лет застройки и за два периода исследования статистически не подтвердились. Возможно, это обусловлено малым количеством ключевых участков каждого года и небольшим массивом полученных данных, а также тем, что в некоторых группах почв отмечалось сильное варьирование показателей. Так, например, наибольшая пространственная неоднородность, оцененная по межквартильному размаху, выявлена для молодых реплантоземов (2012-2014 гг.). Не было установлено и статистических различий по влажности и темпе-
ратуре поверхностных горизонтов разных типов почв и периодов исследований (рис. 2). При этом в аэрированных почвах влажность варьировала по медианным показателям в пределах 16,5-28,5% в 2018 г. и 4,8-33,2% в 2019 г., в перегнойных — до 85%. Температура поверхности почвы изменялась в пределах 18,3-24,3°С в 2018 г. и 14,5-20,9°С (на одном участке до 28,7°С) в 2019 г.
Эмиссия метана из почв. По медианным значениям эмиссия метана в атмосферу из реплантозе-мов, серогумусовых техногенных почв и урбостра-тоземов отсутствовала или была крайне низкой (0,01 мг СН4 • м-2 • ч-1) (рис. 3). Однако довольно часто на ключевых участках отмечались локальные проявления эмиссии СН4. В зависимости от года исследования и возраста застройки микрорайонов частота встречаемости и максимумы эмиссий СН4 из почв в атмосферу различались.
В 2018 г. наиболее часто (в 30-60% случаев) эмиссия метана в атмосферу происходила из ре-плантоземов у домов 2014 и 2012 гг. постройки (рис. 3Б). Максимум был приурочен к самой новой застройке и составлял 5,25 мг СН4 • м-2 • ч-1. Отметим, что на участке с такой локальной эмиссией содержание метана в приземной атмосфере повышалось до 8,4 ррт (в среднем составляло 5,1 ± 2,3 ррт), а на высоте 2 м было 5,2 ± 0,5 ррт, что превышало среднепланетарные значения почти в 3 раза. Из
почв и ТПО более зрелого возраста максимумы эмиссии не превышали 0,02 мг СН4 • м-2 • ч-1. Эмиссия метана из природной почвы парка не проявлялась, происходило поглощение его из атмосферы с интенсивностью 0,02 мг СН4 • м-2 • ч-1. Атмосферные концентрации как в приземном слое, так и на высоте 2 м здесь везде были около 2 ррт. Только из переувлажненных почв поймы притока р. Малая Сосенка эмиссия метана в атмосферу наблюдалась на всех точках опробования. Наибольшая интенсивность была из техно-перегнойно-глеевой почвы с максимальным метаногенезом и концентрацией метана. Здесь эмиссия максимально достигала 57,15 мг СН4 • м-2 • ч-1. При этом содержание метана в приземной атмосфере было 35,9 ррт, но на высоте 2 м накопления не отмечалось (2,0 ррт).
В 2019 г. по медианным значениям эмиссии метана из почв и ТПО не наблюдалось, везде происходил сток атмосферного метана (рис. 3А). Частота встречаемости и интенсивность локальной эмиссии были значительно ниже, чем в 2018 г. Локальные максимумы эмиссий из самых молодых репланто-земов и техно-перегнойно-глеевых почв составляли 0,03 мг СН4 • м-2 • ч-1, частота встречаемости 33%. Отметим, что эмиссию метана в атмосферу с очень низкой интенсивностью (0,01 мг/м2 в час) можно было наблюдать и с поверхности урбостратозема у дома 1938 г. постройки.
Рис. 3. Эмиссия метана из почв микрорайонов разных лет застройки в июне 2019 (А) и июле 2018 (Б) гг. Обозначения: столбики серых оттенков — медианы (п = 3-12 для 2019 г., п = 5-20 для 2018 г.), планки — верхний и нижний квартиль, пунктирные столбики — максимумы, % — частота встречаемости эмиссии
Содержание и эмиссия углекислого газа из городских почв и ТПО
Содержание СО2 в почвах. Углекислый газ в почвах образуется в процессе разложения органического вещества, в результате дыхания микроорганизмов, а также дыхания корней растений. Из литературы известно, что его содержание увеличивается с глубиной [4, 16], что было обнаружено и почти во всех исследованных нами почвах и ТПО.
Содержание углекислого газа в верхних горизонтах почв и ТПО селитебной зоны различалось в пределах двух раз и не зависело от возраста застройки. Торфокомпостные рекультивационные горизонты характеризовались более низкой концентрацией СО2 (в среднем 2,6 ± 0,3 г/м3) по сравнению с минеральными RAT (в среднем 4,5 ± 0,4 г/м3), серо-гумусовыми (в среднем 3,7 ± 0,2 г/м3) и перегнойными горизонтами (в среднем 5,7 ± 2,0 г/м3).
В реплантоземах и серогумусовых техногенных почвах концентрация углекислого газа всегда была выше в техногенных горизонтах по сравнению с гумусированными (табл. 1, 2). При этом она не достоверно уменьшалась от реплантоземов 2014 г. (в среднем 12,1 ± 5,7 г/м3) к реплантоземам более раннего года создания (в среднем 6,4 ± 2,2 г/м3). В серогумусовых техногенных почвах наблюдалось снижение концентрации СО2 от ТСН 2012 г. создания (19,8 ± 5,2) к ТСН 2001 г. (8,3 ± 1,2). Содержание
СО2 в урбиковых горизонтах находилось в пределах варьирования в ТСН. В глеевых горизонтах техно-перегнойно-глеевых почв из-за повышенной влажности концентрация углекислого газа была ниже, чем в субэлювиальных и иллювиальных горизонтах почвы парка.
Эмиссия СО2 из почв. В 2018 г. наибольшая эмиссия СО2 в селитебной зоне по медианным и максимальным значениям наблюдалась из самых молодых реплантоземов 2014 г. (медиана 1075, максимум 3606 мг СО2 • м-2 • ч-1) и серогумусовых техногенных почв (медианы 932 и 788, максимум 2668 мг СО2 • м-2 • ч-1). В ТПО 1964 г. эмиссия снижалась в 2 раза и была меньше, чем в серой почве парка (медиана 736 мг СО2 • м-2 • ч-1). Медианные значения эмиссии из переувлажненных перегнойно-глеевых почв были близки к парковым, за исключением локального максимума в техно-перегнойно-глеевой почве (рис. 4Б).
В 2019 г. эмиссия СО2 из всех ТПО и почв селитебной зоны была в несколько раз ниже, чем в 2018 г. Статистически это подтвердилось только для группы реплантоземов 2014 г. Выделение углекислого газа из реплантоземов имело тенденцию к снижению в более старых микрорайонах. В серогумусовых техногенных почвах и урбостратозе-мах эмиссия СО2, наоборот, была выше из более зрелых почв. Среди всех почв наибольшее количе-
Рис. 4. Эмиссия углекислого газа из почв микрорайонов разных лет застройки в июне 2019 (А) и июле 2018 (Б) гг. Обозначения: столбики серых оттенков — медианы (п = 3-12 для 2019 г., п = 5-20 для 2018 г.), планки — верхний и нижний квартиль, пунктирные столбики — максимумы
ство СО2 выделялось в атмосферу из переувлажненных почв поймы малой реки (медианы 581-1090 мг СО2 • м-2 • ч-1) (рис. 4А).
Различия в показателях выделения углекислого газа из почв разных лет застройки и рекреационных зон оказались статистически недостоверны.
Обсуждение
Закономерности эмиссии метана в атмосферу и процессов, ее обусловливающих. Эмиссия метана в атмосферу зависит от его содержания, которое определяется соотношением процессов биологического образования и окисления, транспорта от аллохтонных источников (в случае их наличия).
По нашим данным установлена положительная корреляционная связь концентрации метана в профиле почв и скорости его потенциального образования (ранговый коэффициент корреляции Спирмена 0,60, р < 0,05), с окислением связи не значимы. В ре-плантоземах 2012-2014 гг. увеличение СН4 в нижних горизонтах иногда не сопровождалось ростом потенциального метаногенеза (участки 4, 5, 7). Это может свидетельствовать об аллохтонных потоках метана из нижележащих строительных грунтов. В реплантоземах у домов 1994, 1964 гг. постройки и в серогумусовых техногенных почвах содержание метана убывает в нижних горизонтах параллельно с уменьшением потенциального метаногенеза. Это согласуется с литературными данными для природных автоморфных почв, в которых в летний период при минимальном автохтонном образовании метана концентрация метана резко уменьшается от верхних гумусовых горизонтов к нижним [25]. Таким образом, с течением времени уменьшается образование автохтонного метана в техногенных горизонтах и поступление аллохтонного СН4 от насыпных грунтов.
Биологическое образование метана в почвах обусловлено увлажнением, наличием органического вещества и восстановительными условиями [16, 33]. В наших исследованиях это подтверждается установленной слабой корреляционной связью скорости потенциального образования метана с влажностью почвенных горизонтов и БЬ (ранговый коэффициент корреляции Спирмена соответственно 0,50 и -0,31, р < 0,05), а также корреляционной связью с содержанием органического углерода в гу-мусированных горизонтах (ранговый коэффициент корреляции Спирмена 0,60, р < 0,05). Интенсивность потенциального метаногенеза в торфокомпостных рекультивационных горизонтах уменьшалась с течением времени по мере их трансформации и снижения количества органического вещества. В молодых серогумусовых горизонтах потенциальное образование метана соответствовало природному уровню, а по мере развития и накопления органического вещества в них и в урбиковых горизонтах его интенсивность увеличивалась. Постепенное раз-
ложение органогенных включений в техногенных горизонтах приводило к уменьшению интенсивности потенциального образования метана в них с течением времени.
Условия увлажнения оказывают влияние на динамику метаногенной активности поверхностных горизонтов. При этом имеет значение не только влажность почв в момент проведения исследований, но и их состояние в предшествующий период. Так, большее количество осадков перед полевыми исследованиями в 2019 г. привело к росту интенсивности метаногенеза в поверхностных горизонтах на многих участках по сравнению с 2018 г. (рис. 1А), несмотря на засушливые условия в дни наблюдений.
Интенсивность бактериального окисления метана зависит от количества доступного субстрата и отличается в почвах с разной концентрацией свободного метана и скоростью метаногенеза. Установлена корреляционная связь скорости окисления и образования метана (ранговый коэффициент корреляции Спирмена 0,42 (р < 0,05)).
В верхних горизонтах самая высокая скорость потенциального бактериального окисления метана приходилась на горизонты с наибольшей концентрацией этого газа и максимальным метаногенезом (реплантоземы 2014 и 2012 гг.). В рекультивацион-ных горизонтах, где концентрация метана и мета-ногенез были ниже (1994 и 1964 гг.), скорость его окисления снижалась на порядок. В техногенных горизонтах реплантоземов 2014 и 2012 гг. со средними концентрациями 1,5 мг/м3 скорость потенциального метанокисления была в два раза выше, чем в почвах, где концентрация метана < 1,1 мг/м3 (реплантоземы 1994 и 1964 гг. и серогумусовые почвы). Показатели последних почв соответствовали серой почве парка. Таким образом, скорость потенциального бактериального окисления метана в реплантоземах снижалась с увеличением возраста застройки при уменьшении концентрации и интенсивности образования метана. В молодых серогу-мусовых техногенных почвах она была приближена к величинам природной почвы, а в более зрелых серогумусовых почвах и урбостратоземах — повышалась. Накопление органического вещества приводило к интенсификации потенциального метано-генеза, но улучшение структуры при развитии этих почв со временем способствовало формированию более емких окислительных барьеров для автохтонного метана. Невысокая скорость потенциального окисления метана наблюдалась в переувлажненных почвах, несмотря на большие концентрации метана и скорости метаногенеза в них. Это было связано с дефицитом кислорода в восстановительных условиях, что хорошо известно из литературы [33].
В годовой динамике скорость потенциального бактериального окисления в поверхностных горизонтах в 2019 г. была выше, чем в 2018-м. Это
произошло в ответ на стимуляцию активности биологического образования метана в 2019 г., описанную ранее. Кроме того, для регионов с избыточным увлажнением показано, что окисление метана усиливается в засушливый период, скорее всего, из-за увеличения концентрации кислорода и более быстрой диффузии СН4 [33].
Закономерности эмиссии метана в атмосферу соответствовали характеру распределения потенциального образования и окисления метана в городских почвах и ТПО. По преобладающим (медианным) значениям эмиссия метана в атмосферу отсутствовала, что согласуется со многими литературными данными для летнего периода [2, 11, 23, 25, 28, 31]. По всей видимости, аллохтон-ные потоки от насыпных грунтов перехватывались бактериальным фильтром созданных в селитебной зоне реплантоземов. Повышенный метаногенез в поверхностных горизонтах ряда ТПО и в глеевых горизонтах переувлажненных почв при низкой окислительной способности или ее недостатке сопровождался локальными эмиссиями СН4 в атмосферу. Известно, что до 80-100% автохтонного (собственно почвенного) метана потребляется метанотрофными бактериями в аэробных условиях [7, 33]. За два периода наблюдений частота встречаемости и интенсивность локальной эмиссии метана были значительно ниже в июне 2019 г., чем в июле 2018 г. Снижению эмиссии в 2019 г. способствовали более активное окисление метана и более засушливые условия в момент исследований. Недельная засуха и повышенные температуры воздуха в начале июня 2019 г. привели к интенсивному окислению метана даже в перегнойно-глее-вых почвах, обогатившихся кислородом. Природные почвы парка с минимальной антропогенной трансформацией лучше выполняли функции по поглощению атмосферного метана: интенсивность потребления метана в них увеличилась в 5 раз по сравнению с 2018 г. Локальная эмиссия СН4 с поверхности урбостратозема у дома 1938 г. постройки происходила несмотря на высокую окислительную активность и была обусловлена повышенной активностью образования метана в поверхностном горизонте, обогащенном органическим веществом.
Закономерности накопления в почвах и выделения СО2 в атмосферу. Содержание углекислого газа в почвах селитебной зоны максимально составляло 20-24 г/м3 (11000-13000 ррт) и приходилось на срединные и нижние техногенные горизонты. Эти характеристики сопоставимы с данными по концентрации СО2 на 60 см в городских почвах Ботанического сада МГУ в летний период [4]. В техногенных горизонтах 2012-2014 гг. создания содержание СО2 иногда превышало уровни природных иллювиальных горизонтов почвы парка. При этом содержание углерода органического вещества в сравниваемых горизонтах одинаково. Более высокая концентра-
ция СО2 в молодых почвах и ТПО связана с разложением локальных включений органогенного материала (кусков древесины, остатков ткани и др.).
Содержание углекислого газа в верхних горизонтах почв и ТПО селитебной зоны соответствовало средним значениям, известным по литературе для автоморфных почв [4, 16]. Значительного накопления СО2 здесь не происходило из-за его интенсивного газообмена и выделения в атмосферу.
Выявление закономерностей эмиссии углекислого газа из почв в зависимости от возраста застройки микрорайонов осложняется значительным влиянием дыхания корней растений на этот процесс. Нередко состояние растительного покрова является определяющим для интенсивности процесса выделения СО2 из почв в атмосферу. Тем не менее по результатам двух периодов исследования эмиссия углекислого газа из реплантоземов снижалась с увеличением возраста застройки. Это, во-первых, связано с уменьшением количества органического вещества при минерализации рекультивационных горизонтов, во-вторых, со снижением концентрации углекислого газа в техногенных горизонтах с течением времени. В серогумусовых техногенных почвах и урбостратоземах эмиссия углекислого газа могла возрастать в более старых микрорайонах, что, обусловлено накоплением почвами углерода со временем и формированием более продуктивного растительного сообщества. Медианные значения интенсивности эмиссии СО2, полученные нами, были такого же порядка, как в других исследованиях городских парков [4, 22]. Максимальные показатели выделения углекислого газа сопоставимы с данными для почв сквера и луга в г. Москве и для газонных конструктоземов [34, 35].
В двухлетней динамике эмиссия углекислого газа в атмосферу, как со всех почв селитебной зоны, так и с поверхности серой почвы парка, уменьшилась в 1,5-2 раза в 2019 г. относительно 2018 г. Это можно объяснить малым количеством осадков в период исследований в июне 2019 г., меньшей влажностью и температурой почв. Из перегнойно-гле-евых почв эмиссия СО2, напротив, увеличилась в 1,5 раза. Это обусловлено более активным газообменом в сухих условиях и снижением влияния процессов растворения углекислого газа в почвенной влаге по сравнению с 2018 г.
Можно сказать, что в условиях достаточного увлажнения (2018 г.) эмиссия СО2 из почв и ТПО старше 2001 г. соответствовала величинам серой парковой почвы. Были близкими к ним и медианные значения переувлажненных перегнойно-глее-вых почв, за исключением локального максимума в техно-перегнойно-глеевой почве. В условиях недостаточного увлажнения в период исследований (2019 г.) все антропогенно-измененные почвы и ТПО выделяли углекислого газа больше, чем почва парка.
Заключение
Эмиссия парниковых газов из почв и ТПО селитебной зоны города, а также их образование и поглощение определялись возрастом застройки территории. Содержание метана и углекислого газа в техногенных горизонтах ТПО и почв снижалось при увеличении возраста застройки территории. Накопление метана до потенциально опасных концентраций происходило только при захламлении переувлажненных горизонтов бытовым мусором.
Интенсивность потенциального образования метана была максимальна в молодых реплантоземах (2014, 2012 гг.) и снижалась с увеличением возраста застройки на 1-2 порядка вслед за уменьшением содержания органического вещества в них. В ТПО микрорайонов 1964-1994 гг. и серогумусовых техногенных почвах 2012 г. она приближалась к величинам природной почвы парка (0,018-0,030 нг СН4-г-1-ч-1). Накопление органического вещества в серогумусовых почвах и урбостратоземах в более старых микрорайонах увеличивало потенциальный метаногенез в верхних горизонтах в 2-7 раз по сравнению с почвой парка.
Скорость потенциального бактериального окисления метана уменьшалась с возрастом застройки в реплантоземах (вместе со снижением содержания и образования метана) и, наоборот, увеличивалась в серогумусовых техногенных почвах и урбостратоземах по мере их развития. Молодые реплантоземы (2012-2014 гг.), серогуму-совые техногенные почвы 2001 г. и урбостратоземы 1930-х гг. превышали показатели природных серых почв (2,2-3,8 нгСН4-г-1-ч-1) по абсолютным значениям потенциального окисления метана, остальные почвы — нет.
Эмиссия метана из почв селитебной зоны по медианным значениям отсутствовала или не превышала 0,01 мг СН4-м-2-ч-1. Происходило поглощение метана из атмосферы. Однако наблюдалась локальная эмиссия СН4 из некоторых почв. В период с достаточным увлажнением ее максимальная интенсивность из самых молодых реплантоземов достигала 5,25 мг СН4-м-2-ч-1 и уменьшалась на порядок из почв у домов 2001 г. постройки и старше. В засушливый период локальная эмиссия из молодых реплантоземов составляла всего 0,03 мг СН4-м-2-ч-1 и снижалась в 3 раза у домов 1938 г. постройки. Наиболее опасным источником поступления метана в атмосферу были переувлажненные городские почвы, содержащие бытовой мусор. Максимальная эмиссия СН4 из них составила 57,15 мг СН4-м-2-ч-1.
Эмиссия углекислого газа в меньшей степени, чем метана, зависела от времени формирования почв. Тем не менее по мере увеличения возраста застройки территории эмиссия СО2 сокращалась из реплантоземов, но возрастала из серогумусовых почв и урбостратоземов, что связано с разнонаправ-
ленным изменением содержания органического вещества в ТПО и почвах со временем. В условиях достаточного увлажнения максимальное выделение СО2 в атмосферу происходило из молодых реплантоземов (до 3606 мг СО2-м-2-ч-1), а в условиях недостаточного — из почв более старых микрорайонов (до 664 мг СО2-м-2-ч-1) и из перегнойно-глеевых почв (до 1901 мг СО2-м-2-ч-1).
Информация о финансировании работы
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 121040800147-0 «Почвенные информационные системы и оптимизация использования почвенных ресурсов») и программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что исследования проводились при отсутствии любых коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., 1986.
2. Визирская М.М., Тихонова М.В., Щепелева А.С. и др. Экологическая оценка функции регулирования состава атмосферного воздуха подзолистых почв лесных экосистем в условиях московского мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ-МСХА) // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 9-2.
3. Гонгальский К.Б., Зайцев А.С., Коробушкин Д.И. и др. Разнообразие почвенной биоты на гарях южнотаежных лесов (на примере Тверской области) // Почвоведение. 2016. № 3.
4. Гончарова О.Ю., Семенюк О.В., Матышак Г.В. и др. Сезонная динамика продукции СО2 почвами дендрария Ботанического сада МГУ им. М.В. Ломоносова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2016. № 2.
5. ГОСТ 26213-91 «Почвы. Методы определения органического вещества».
6. Доклад о состоянии окружающей среды в городе Москве в 2019 году / Под ред. А.О. Кульбачевского. М., 2020.
7. Каллистова А.Ю., Глаголев М.В., Шнырев Н.А., и др. Эмиссия метана с поверхности полигона захоронения бытовых отходов в зависимости от возраста полигона и от времени года // Экологическая химия. 2006. Т. 15. Вып. 1.
8. Кравченко И.К., Семенов В.М., Кузнецова Т.В. и др. Окисление метана и превращение азота в серой лесной почве // Почвоведение. 2004. № 1.
9. Люри Д.И., Карелин Д.В., Кудиков А.В. и др. Изменение почвенного дыхания в ходе постагрогенной
сукцессии на песчаных почвах в южной тайге // Почвоведение. 2013. № 9.
10. Мамонтов В.Г., Гладков А.А., Кузелев М.М. Практическое руководство по химии почв. М., 2012.
11. Можарова Н.В., Кулачкова С.А., Лебедь-Шарле-вич Я.И. Эмиссия и поглощение парниковых газов в почвах Москвы // Почвоведение. 2018. № 3.
12. Прокофьева Т.В., ГерасимоваМ.И., Безуглова О.С. и др. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10.
13. Сабреков А.Ф., Филиппов И.В., Терентьева И.Е. и др. Пространственная вариабельность эмиссии метана из травяно-моховых болот подтайги и лесостепи Западной Сибири // Известия РАН. Серия Биологическая. 2016. № 2.
14. Саржанов Д.А., Васенев В.И., Сотникова Ю.Л. и др. Краткосрочная динамика и пространственная неоднородность эмиссии СО2 почвами естественных и городских экосистем Центрально-Черноземного региона // Почвоведение. 2015. № 4.
15. Сморкалов И.А., Воробейчик Е.Л. Влияние условий крупного промышленного города на почвенное дыхание лесных экосистем // Почвоведение. 2015. № 1.
16. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М., 2005.
17. Смагин АВ. Городские почвы // Природа. 2010. № 7.
18. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства.
19. Степанов А.Л., ЛысакЛ.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии. М., 2002.
20. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Л.А. Воробьевой. М., 2006.
21. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И. и др. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004.
22. Bae J., Ryu Y. Spatial and temporal variations in soil respiration among different land cover types under wet and dry years in an urban park // Landscape and Urban Planning. 2017. Vol. 167.
23. Chen Y, Day S.D., Shrestha R.K. et al. Influence of urban land development and soil rehabilitation on soil-atmosphere greenhouse gas fluxes // Geoderma. 2014. Vol. 226227 (1).
24. Christiansen J.R., Gundersen P., Frederiksen P. et al. Influence of hydromorphic soil conditions on greenhouse gas emissions and soil carbon stocks in a Danish temperate forest // Forest Ecology and Management. 2012. Vol. 284.
25. De Bernardi М., Priano M.E., Fusé V.S. et al. Methane oxidation and diffusivity in mollisols under an urban forest in Argentina // Geoderma Regional. 2019. Vol. 18. Article e00230. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2019.e00230
26. Decina S.M., Hutyra L.R., Gately C.K. et al. Soil respiration contributes substantially to urban carbon fluxes in the greater Boston area // Environmental Pollution. 2016. Vol. 212.
27. GroffmanP.M., PouyatR.V. Methane uptake in urban forests and lawns // Environ. Sci. Technol. 2009. Vol. 43.
28. Kaye J.P., Burke I.C., Mosier A.R. et al. Methane and nitrous oxide fluxes from urban soils to the atmosphere // Ecol. Appl. 2004. Vol. 14.
29. Koerner B., Klopatek J. Anthropogenic and natural CO2 emission sources in an arid urban environment // Environmental Pollution. 2002. Vol. 116.
30. Kravchenko I., Sukhacheva M. Methane oxidation and diversity of aerobic methanotrophs in forest and agricultural soddy-podzolic soils // Applied Soil Ecology. 2017. Vol. 119.
31. Lebed-Sharlevich Y., Kulachkova S., Mozharova N. Generation, sink, and emission of greenhouse gases by urban soils at different stages of the floodplain development in Moscow // Journal of Soils and Sediments. 2019. Vol. 19, N 8.
32. Lorenz K., Lal R. Biogeochemical C and N cycles in urban soils // Environment International. 2009. Vol. 35.
33. Serrano-Silva N., Sarria-Guzman Y., Dendooven L. et al. Methanogenesis and methanotrophy in soil: A review // Pedosphere. 2014. Vol. 24(3).
34. Shchepeleva A.S., Vasenev V.I., Mazirov I.M. et al. Changes of soil organic carbon stocks and CO2 emissions at the early stages of urban turf grasses' development // Urban Ecosystems. 2017. Vol. 20 (2)
35. Sushko S., Ananyeva N., Ivashchenko K. et al. Soil CO2 emission, microbial biomass, and microbial respiration of woody and grassy areas in Moscow (Russia) // Journal of Soils and Sediments. 2019. Vol. 19.
36. WMO Statement on the State of the Global Climate in 2019 [Электронный ресурс] // WMO-No 1248. World Meteorological Organization, 2020. URL: https://library.wmo. int/doc_num.php?explnum_id=10211 (дата обращения: 21.03.2021).
Поступила в редакцию 22.03.2021 После доработки 15.08.2021 Принята к публикации 25.08.2021
URBAN SOILS OF ONE OF THE NEW MOSCOW DISTRICTS AS SOURCES OF METHANE AND CARBON DIOXIDE TO THE ATMOSPHERE
S. A. Kulachkova, A. V. Kovalenko
The regularities of methane and carbon dioxide emission from soils and the factors that determine them were investigated in the settlement of Kommunarka (New Moscow) on the building sites of 1938-2014 years and in the recreational zone. It has been shown that the intensity of the formation and oxidation of methane and, as a consequence, the content of this gas in soils and emissions into the atmosphere depend on the time of creation of Urbic Technosols (Folinovic) and the age of other urban soils. In the summer period, the emission of methane from the soils of the residential zone was absent according to median values or did not exceed 0.01 mg CH4 ■ m-2 ■ h-1. Methane was absorbed from the atmosphere. However, local CH4 emission from some soils was observed. During the period with sufficient moisture, maximum emission from the youngest Urbic Technosols (Folinovic) reached 5.25 mg CH4 ■ m-2 ■ h-1 and decreased by an order of magnitude from soils near houses built in 2001 and older. During the dry period, the local emission from young Urbic Technosols (Folinovic) was only 0.03 mg CH4 ■ m-2 ■ h-1 and decreased by three times near houses built in 1938. The most dangerous source of methane to the atmosphere was waterlogged urban soils containing household waste. The maximum CH4 emission from them was 57.15 mg CH4 ■ m-2 ■ h-1. The content of carbon dioxide in the technogenic horizons of Urbic Technosols (Folinovic) and Urbic Technosol (Someriumbric) decreased with an increase in the building age. The emission of carbon dioxide, to a lesser extent than methane, depended on the time of soil formation. Nevertheless, under conditions of sufficient humidification, the maximum CO2 emission were from young Urbic Technosols (Folinovic) (up to 3606 mg CO2 -m-2-h-1). Under conditions of insufficient moisture, maximum CO2 emission were from the soils of older microdistricts (up to 664 mg CO2 ■ m-2 ■ h-1) and from Folic Gleyic Fluvisol (up to 1901 mg CO2 ■ m-2 ■ h-1).
Key words: greenhouse gases, methanogenesis, methane oxidation, soil respiration, emission of gases into the atmosphere, urban soils (Urbic Technosols).
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Кулачкова Светлана Александровна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: kulachkova_sa@inbox.ru
Коваленко Алексей Витальевич, студент магистратуры каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: aleshakovkoval1188@gmail.com
