Условия жизни - не из легких [1991 Горышина Т.К.

Световой режим в городах зависит не только от географического (широтного) положения, которое определяет количество поступающей солнечной радиации, но и в большой степени от состояния городской атмосферы. Сильное задымление и запыленность воздуха в городе (например, в Москве мутность атмосферы на 9-12% больше, чем за городом), а также более частая повторяемость туманов задерживают значительную долю солнечных лучей. Вот несколько примеров. В Токио, поступление солнечной радиации на 10-20% ниже, чем в окружающей сельской местности. Подсчитано, что город в средних широтах США в среднем недополучает в год около 15% солнечной радиации, полагающейся ему по географическому положению. На рис. 5 хорошо видно, что на линии, отражающей изменение прихода радиации на разной широте, есть несколько "провалов" - это точки, соответствующие крупным городам с развитой индустрией. Иными словами, из-за малой прозрачности атмосферы эти города по количеству получаемого ими солнечного света как бы смещены на добрый десяток градусов к северу.

Кажется, что листья у стриженых деревьев вырастают прямо на стволе, и это неудивительно: побеги, возникающие из спящих почек, очень коротки и совсем непохожи на ветви в кроне нормального дерева

Снижение прихода радиации отражается и на другой характеристике светового режима, также часто используемой в экологии, - освещенности. Средняя дневная освещенность в декабре в пригороде Ленинграда, Павловске, составляет около 5 тыс. люкс, а в самом Ленинграде - всего 2 тыс. люкс.

Рис. 5. Из общей линии, выражающей зависимость прихода солнечной радиации от географической широты местности, недаром так заметно выпадают точки 3 и 4. Крупные промышленные центры с сильно задымленным воздухом получают солнечной радиации значительно меньше, чем им следует по географическому положению (по Н. Калитину, 1947 г.). Города: 1 - Пасадена (Калифорния); 2 - Вашингтон; 3 - Нью-Йорк; 4 - Чикаго; 5 - Ницца; 6 - Венеция; 7 - Евпатория; 8 - Париж; 9 - Варшава; 10 - Минск; 11 - Смоленск; 12 - Свердловск; 13 - Павловск (Ленинградская область)

В дополнение к общему снижению радиации в городах нередки случаи, когда растения испытывают недостаток света из-за прямого затенения (в районах с многоэтажной тесной застройкой, на узких улицах и т. д.). Стоит лишь вспомнить деревья во дворах-"колодцах" или под стенами высоких домов. Нормальную освещенность они могут получить только в немногие часы суток, совсем как где-нибудь в узких горных ущельях. Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток), и на балконах, обращенных на север.

Есть и еще одна особенность светового режима в городе - дополнительное освещение улиц, искусственное продление светового дня. Эта необычность городских условий чутко подмечена поэтами-урбанистами на рубеже XIX и XX вв.:

А вот какой зримый образ приобретает эта особенность городской среды в наши дни: "световые пятна" городов в темное время суток хорошо видны при наблюдении из космоса со спутников.

Многие деревья, оказавшиеся в соседстве с уличными фонарями, освещены вечером и ночью. А в скверах и парках нередко устраивают специальную декоративную подсветку. Правда, освещение даже такими яркими для наших глаз лампами, как ртутно-кварцевые и галогенные, слишком слабо, чтобы обеспечить нормальный уровень фотосинтеза растений. Но зато эта дополнительная подсветка, означающая для растений удлинение светового дня, может повлиять на те явления в их жизни, которые регулируются длиной дня (подробнее об этом см. в разделе "Сезонное развитие растений в городе").

Наконец, стоит упомянуть о том, что из-за уменьшения прозрачности воздуха в городах меняется и качество света, т. е. его спектральный состав. С точки зрения человека существенно то, что свет содержит меньше ультрафиолетовых лучей (например, даже в относительно чистом юго-западном районе Москвы на 13% меньше, чем в сельской местности). Для растений же имеет значение обеднение света лучами, наиболее ценными для фотосинтеза, - "фотосинтетически активной радиацией" (ФАР). Таким образом, городские растения получают свет, не только ослабленный по интенсивности, но и ухудшенный по качеству.

Если световой режим в городах гораздо больше влияет на растения, чем на человека, то особенности другого важнейшего экологического фактора - тепла - хорошо знакомы нам по собственным ощущениям и впечатлениям. Все мы знаем, как трудно переносить в городе жаркое лето. И в художественной литературе обычны картины раскаленного асфальта, пышущих зноем каменных громад и т. д. Вот одна из зарисовок лета о Петербурге, сделанная в начале прошлого века:

В крупных городах тепловой режим складывается под влиянием многих факторов. Рассматривая город как поверхность, воспринимающую солнечное тепло (есть и такой "угол зрения"!), географы характеризуют его как "поверхность скального типа", имеющую большую теплопроводность (это строительные материалы) и "повышенную шероховатость" или даже ребристую структуру (это наши многоэтажные дома). Она работает как своего рода калорифер, способствуя эффективному использованию солнечной радиации для нагревания больших объемов воздуха. Если добавить еще к этому, что города производят и собственное тепло (работа промышленных предприятий, электростанций, отопление) и что ночному излучению тепла препятствует "пылевая шапка", то станет понятно: города в целом - более теплые местообитания по сравнению с зональным фоном (т. е. климатическими показателями данной географической зоны). В климатологической литературе их называют "островами тепла".

Чугунную решетку дереву не сдвинуть, не обойти; пришлось расти, частично 'проглотив' ее

Постепенное "потепление" городов хорошо заметно в тех случаях, когда есть возможность проследить изменение климатических показателей за длительные сроки. Так, в центре Парижа за последние 100 лет минимальная температура поднялась на 4°С, а средняя - на 1,9°; в Ленинграде за 230 лет средняя температура возросла на 2,1°С в холодный период года и на 0,05° - в теплый. В городах Северной Америки, как показывают данные по 34 метеостанциям, за последние 40 лет идет потепление со средней скоростью 0,012° в год. Скорость потепления прямо связана с темпами урбанизации. В одном из самых быстро растущих городов США - Фениксе, где за послевоенные годы население увеличилось более чем в 10 раз, средняя температура летних месяцев повысилась на 4,4°С.

В настоящее время разница летних температур "центр города - пригород" в крупных городах достигает нескольких градусов, например в Москве 2-5, в Лондоне 4-6, в Париже 5-7, в Дели 4-6, в Сеуле 3-7. И даже в небольшом и малоэтажном Владимире она составляет 0,5-2°С. Это вызывает иногда своеобразный "городской бриз", дующий от центра к окраинам. Зимой различие температур еще больше, до 10-14°С, причем, как правило, безморозный период в городах длиннее на несколько дней. И лишь в отдельных случаях, в городах с особыми условиями, этот тепловой эффект не выражен. Так, в Архангельске, расположенном в дельте Северной Двины, на ее берегах и островах, летом даже холоднее на 0,2-0,4°, чем в окрестностях; в городе-оазисе Ашхабаде с обилием воды и зелени температура в центре на 2,5°С ниже, чем в окружающей пустыне. Но это лишь редкие исключения, обычно же над городами располагается слой теплого воздуха куполообразной формы, высотой до 200 м, названный в литературе "тепловой шапкой". Городские "острова тепла" оказывают влияние и на пригородные зоны (например, в Париже в радиусе 30-40 км), но, как считают климатологи, не вносят существенного вклада в глобальное потепление климата.

Если с точки зрения человека особенности теплового режима городов этим и исчерпываются, то для растений существует еще одна немаловажная его сторона - это тепловой режим почвы, достаточно необычный в городах для жизни растений. В жаркие летние дни асфальтовые покрытия, нагреваясь, отдают тепло не только приземному слою воздуха, но и поверхностным слоям почвы. Например, в Минске в дни с температурой воздуха 26-27°С температура почвы под асфальтом на глубине 20 см достигала 34-37°, а на глубине 40 см - 29-32°. Эти в полном смысле слова горячие горизонты - как раз те, в которых обычно сосредоточены живые окончания корней древесных пород. Особенно горячим бывает слой почвы под самым асфальтом (температура его поверхности доходит до 50-55°С) и в пристволовых лунках, покрытых чугунными решетками - декоративными и защищающими от вытаптывания. Недаром самые верхние слои городских почв практически не содержат живых корней. При раскопках на улицах Минска было обнаружено "опускание" основной массы корней деревьев на теневой стороне улицы до глубины 30-60 см, а на более прогреваемой солнечной стороне - еще глубже, до 40-80 см.

Пейзаж Петербурга-Петрограда-Ленинграда. В прошлом веке были лишь редкие дымы печных труб да речных пароходиков (как экзотическая деталь того времени, этот дым специально акцентирован в картине). А. Дюран. Демидовский дом призрения. 1843 г.

Таким образом, для уличных растений создается необычная тепловая ситуация: температура подземных органов у них нередко выше, чем надземных. В природных же условиях, напротив, естественно существование растений при гораздо более низких температурах почвы, чем воздуха; именно к такому распределению температур приспособлены жизненные процессы большинства наземных растений умеренных широт (за исключением разве что растений пустынь).

Пейзаж Петербурга-Петрограда-Ленинграда. В прошлом веке были лишь редкие дымы печных труб да речных пароходиков (как экзотическая деталь того времени, этот дым специально акцентирован в картине). П. Васильев. Вид Петербургских островов и Невы с одним из первых русских пароходов. 1820 г.

Зимой температурный режим почвы в городах также достаточно суров. В естественном растительном покрове зимнее охлаждение почвы смягчается слоем растительных остатков и снежной "шубой", поэтому даже в холодные зимы почва далеко не везде промерзает (например, в лиственных лесах под пышной подстилкой из опавших листьев). На улицах городов, где снег убирают, а слой асфальта имеет большую теплопроводность (т. е. способствует потере тепла), почвы охлаждаются до -10°... -13°, что может привести к опасному промерзанию корней. Таким образом, годовой перепад температур в городских, почвах (точнее, их корнеобитаемых слоях) составляет 40-50°, в то время как в естественных условиях (для средних широт) он не превышает 20-25°С.

Пейзаж Петербурга-Петрограда-Ленинграда. В наши дни все гуще становятся индустриальные дымовые шлейфы. А. Остроумова-Лебедева. Выборгская сторона. 1930 г.

Важнейший экологический фактор в жизни растений - влага (вода). Основной источник ее поступления к наземной растительности - атмосферные осадки. Над городами, по наблюдениям климатологов, нередко выпадает примерно на 10-15% больше осадков, чем над окружающими территориями. Однако даже в условиях обилия осадков городские растения часто испытывают недостаток в почвенной влаге (или, по крайней мере, получают ее меньше, чем загородная естественная растительность). Это касается в первую очередь уличных насаждений. С водонепроницаемого асфальта дождевые воды стекают в канализационную сеть, и значительная часть влаги атмосферных осадков теряется для растений. Даже в городах со сравнительно влажным климатом городские растения, особенно деревья с их огромной массой испаряющей листвы, могут оказаться в условиях почвенной засухи. Минские ботаники обнаружили, что влажность почвы под уличными посадками в сухую погоду нередко падает до "мертвого запаса", недоступного для корней растений. Вместе с тем при дождях или обильном поливе возможно другое нежелательное явление - застаивание воды и прекращение доступа воздуха к корням.

Пейзаж Петербурга-Петрограда-Ленинграда. В наши дни все гуще становятся индустриальные дымовые шлейфы. А. Ушин. Кировский завод. 1970 г.

Отекание дождевых вод "мимо почвы" означает также уменьшение количества влаги, испаряющейся с поверхности, а это влечет за собой изменения в городском микроклимате, и среди них - уменьшение влажности воздуха. В летние месяцы она на 5-6% ниже, чем на окружающих территориях, а в жаркие летние дни даже в средних широтах относительная влажность воздуха в городе может снижаться до 20-22%. По шкалам же, принятым в климатологии, это уже величина, характерная для "атмосферной засухи".

Обратимся теперь к почвенно-грунтовым условиям в городах как фактору среды обитания растений. В естественных экосистемах почвенный слой - это особый, сложно организованный мир, со своей структурой и химическим составом, водно-воздушным и тепловым режимом, живым населением (бактерии, грибы, водоросли, почвенные животные), сложными и разнообразными биохимическими процессами. Под влиянием материнской породы, климата, растительности и других естественноисторических факторов веками создавались почвенные горизонты, откладывался гумус, составляющий основу почвенного плодородия, формировались связи между компонентами почвы. А что представляют собой почвы в городах?

Начнем с того, что во многих случаях естественные почвы здесь просто отсутствуют. При подготовке территории для застройки нередко производится выравнивание, при котором на одних участках почвенный покров (точнее, верхние слои почвогрунта) снимается, на других же понижения заполняются излишками грунта, а естественная почва оказывается погребенной. Довольно распространены в городах перемешанные и насыпные почвы, в том числе с применением строительного мусора. Такие субстраты обычно имеют повышенную щелочность, мы же нередко заставляем на них расти древесные породы и кустарники, для которых привычны лесные почвы с более или менее кислой реакцией. Встречаются в городах и намывные почвы. Таким способом создаются целые новые участки, когда не хватает территории для застройки (например, район Гавани в Ленинграде, микрорайон Марьино в Москве).

Вот один из примеров почвенного разреза в городе (Москва, Новые Кузьминки): сверху - метровая толща перемешанного почвогрунта, потерявшего естественную структуру, с различными примесями (битый кирпич, камень, осколки стекла, кусочки битума, цемента, дерева и т. д. - всего до 15-20% объема почвы) и с малым содержанием мелких (до 0,01 мм) частиц - основных носителей питательных веществ и микроэлементов. И только ниже лежат слои естественной дерново-подзолистой почвы, но на метровой глубине они уже почти не содержат гумуса.

Ясно, что в этих случаях растениям приходится довольствоваться субстратом, по своим свойствам весьма далеким от естественных зональных почв. Но даже если последние и сохранятся, они подвергаются в городских условиях различным влияниям, изменяющим их качество с точки зрения пригодности для растений. Выше уже было упомянуто о тех трудностях, которые создает для городских растений водный и тепловой режим почвы. Добавим к этому сильное уплотнение почв, приводящее к ограничению воздухо- и водообмена, а также всевозможные загрязнения. Например, в Москве талые снеговые моды, стекающие в почву, содержат на 2-3 порядка больше механических примесей, чем в подмосковных лесах. Городские почвы, кроме того, поглощают и удерживают большие дозы различных химических загрязнителей из воздуха (о них речь пойдет ниже).

Особенно губительно для городских растений применение и зимнее время солей для быстрого освобождения дорожных покрытий от снега - "снегосгона". Во многих странах с этой целью используют хлористый натрий (поваренную соль) или различные смеси с его участием, а иногда (при температурах до -20°С) и хлористый кальций. Солевой раствор, стекающий и почву, приводит не только к коррозии подземных коммуникаций (и в основном с этой точки зрения считается нежелательным в городском хозяйстве), но и к искусственному засолению почвенного слоя. В результате в городах и вдоль автомагистралей появляются столь же засоленные почвы, как где-нибудь в сухих степях или на морских побережьях. Об этом сигнализирует сама растительность. Так, по обочинам шоссейных дорог Великобритании в последние годы стали и массе распространяться типичные приморские растения-галофиты (подорожник морской, астра приморская, бескильница и др.). Но если галофиты "привыкли" и хорошо приспособлены к засолению (у них даже, например, снижается всхожесть семян на незасоленных почвах), то этого нельзя сказать о деревьях и травах, выращиваемых в городах.

Насколько губительно для городских растений такое искусственное засоление, показывают результаты своеобразного эксперимента", невольно поставленного коммунальным хозяйством одного из наших крупных городов. Было замечено, что на оживленной центральной магистрали начали усыхать деревья, но только по одной стороне улицы, хотя все условия как будто были полностью одинаковыми по обеим ее сторонам. Разгадка этого различия крылась в том, что посередине улицы проходила граница между двумя городскими районами, в одном из которых было запрещено применение соли для очистки улиц, а в другом разрешено (нетрудно догадаться, в каком).

Использование соли на улицах встречает все большее сопротивление практиков городского озеленения (достаточно привести такой нередко мелькающий заголовок критических газетных статей, как "Пересол на асфальте"). Этой проблеме посвящены многочисленные публикации в научной литературе и международные симпозиумы. Предлагаются различные заменители соли, безвредные для растений, в том числе отходы промышленности (например, фосфорсодержащая зола).

Оригинальное решение для борьбы со снегом на тротуарах предложили и использовали в г. Тойяма японские ученые, заставив работать в роли уличных снегоочистителей... микробов, выделяющих много тепла в процессе жизнедеятельности. Резервуары с культурой этих микробов применяются в системе нагрева воды, которая затем проходит по трубам, проложенным под тротуаром, - и можно уже не заботиться об уборке снега.

В городах оставляет желать много лучшего и важнейшее для растений качество почвы - ее плодородие. Причин здесь несколько. Если в естественных экосистемах постоянное плодородие почвы поддерживается за счет такого важного звена биологического круговорота, как ежегодно поступающие в почву органические остатки, то в городах - помните известную песню "Листья жгут, листья жгут, листья прошлогодние..."? В этих словах - не только одна из фенологических примет городской осени, но и одна из причин обеднения городских почв. Ежегодная уборка опавшей листвы, производимая в санитарно-гигиенических целях (опять-таки, исходя из интересов человека), для городской растительности означает не что иное, как размыкание естественных биогеохимических циклов, перекрывание канала возврата питательных веществ в почву. А это обрекает городские деревья на голодный паек почвенных питательных элементов. Такому же обеднению почвы способствует и ежегодное неоднократное скашивание травы на газонах.

Другая причина снижения плодородия почвы в городах заключается в неподходящих условиях для нормальной жизнедеятельности микробного населения - почвенной микрофлоры. Нередко городские почвы стерильны почти до метровой глубины. А ведь именно почвенные бактерии-редуценты переводят мертвые органические остатки в форму, удобную для усвоения питательных веществ корнями растений. Сильно угнетены в городских условиях и грибы-микоризообразователи, живущие в симбиозе с микотрофными древесными породами; для последних это также немаловажная причина ухудшения их состояния.

И еще одно затруднение - ограниченная площадь питания для тех крупномерных деревьев, которые пересаживают на улицы, в скверы и т. д. в уже достаточно взрослом состоянии (получила, например, широкое распространение посадка взрослых лип). Корневые системы при этом сильно подрезают, а деревья сажают в лунки с насыпной почвой, выкопанные в плотном грунте, так что они затем растут практически в условиях кадочной культуры. Еще меньшим объемом почвы приходится довольствоваться уличным декоративным посадкам в каменных или бетонных вазах и тем более случайным "поселенцам" в трещинах мостовых, на городских стенах, зданиях и т. д. Такие растения по почвенным условиям (и не только по ним) с полным правом можно сравнить с литофитами - обитателями скальных и каменистых грунтов в высокогорьях или на гранитных обнажениях в Карелии.

Важнейшим условием существования растений, как и человека, является воздушная среда (для последнего без нее невозможно дыхание, для первых - не только дыхание, но и "воздушное питание" - фотосинтез). Каковы особенности городского воздуха "с точки зрения" растений?

По основному газовому составу он мало чем отличается от воздуха естественных местообитаний: кислорода для дыхания хватает, углекислого газа для фотосинтеза тоже (вблизи предприятий - крупных потребителей топлива - его содержание в воздухе может быть даже повышено). Существенное отличие городского воздуха заключается в присутствии различных примесей-загрязнителей.

Долгое время главным загрязнителем городского воздуха были дымовые газы - продукт сжигания топлива - и двуокись серы, которая образуется при сжигании низкосортного угля, содержащего примеси серы. Еще в XIV в. в Саксонии запрещали использовать для отопления жилищ каменный уголь, дающий много дыма. Картины дымного Лондона нередки у писателей XVIII в. И в последующие столетия кто только не писал о печально знаменитом лондонском смоге! Любопытную иллюстрацию увеличения задымления атмосферы Петербурга-Петрограда-Ленинграда - своеобразное постепенное сгущение "дымовых туч" - можно видеть при сравнении городских пейзажей разных веков.

С середины XX в. началось массированное наступление индустриальных загрязнителей на городской воздушный бассейн. Источники этого загрязнения - прежде всего промышленные предприятия. Перелистав "Реферативные журналы" по тематике "Городская среда" и "Охрана природы" за последние несколько лет, можно встретить упоминания о выбросах в атмосферу отходов самых разнообразных производств, например полиграфического, лакокрасочного, пивоваренного и т. д., не говоря уже о металлургических и цементных заводах. Свою долю в загрязнение воздуха вносят электростанции, городские, непромышленные службы и организации, авто- и авиатранспорт.

И в наши дни дым составляет существенную часть загрязнений городского воздуха. Из космоса хорошо видно, что многие крупные города накрыты "дымовыми шапками", или "дымовыми облаками", а зимой вокруг городов ясно просматриваются "ореолы" загрязненного снега.

Появился и целый "букет" химических веществ - загрязнителей городского воздуха. В осадках, выпадающих над городом, концентрация только растворенных компонентов доходит до 100 мг/л. По оценкам некоторых ученых, на 1 км² городской территории ежегодно выпадает до 20-30 т различных веществ; это в 4-6 раз больше, чем в сельской местности. К двуокиси серы, до сих пор не уступающей своих позиций, добавились озон, фтористый водород, окислы азота, периацетилнитрат (ПАН), тяжелые металлы, различные аэрозоли и пылевидные частицы. Специфически городское загрязнение - выхлопные газы автомобилей на улицах с интенсивным движением. Среди прочих загрязнений они включают угарный газ и много окислов свинца, источником которых служит тетраэтилсвинец, добавляемый в бензин для повышения октанового числа. По исследованиям западноевропейских ученых, 50-70% свинца, содержащегося в бензине, переходит с выхлопными газами в атмосферный воздух.

В последние годы нарастанию индустриальных загрязнений в городах все явственнее противостоит встречный процесс - развитие мер по контролю и снижению загрязнений. Так, в Москве действует служба Госкомгидромета и СЭС, включающая около 50 постоянных постов наблюдения и несколько передвижных, проведена инвентаризация источников загрязнения, принимаются меры к снижению выбросов. К 1980 г. приостановлен рост загрязнения московского воздуха, а по ряду показателей отмечено явное улучшение его чистоты. В Лондоне в результате использования природного газа вместо угля и нефти и сокращения числа теплоэлектростанций среднегодовое содержание двуокиси серы снизилось с 300 до 40 мкг/м³. Согласно недавнему сообщению ЮНЕП (Программа ООН по охране окружающей среды), в большинстве из 75 наблюдаемых городов мира отмечена тенденция к уменьшению загрязнения воздуха двуокисью серы и твердыми взвешенными частицами. В Брюсселе и Лондоне в последние годы снижается концентрация в воздухе окислов свинца, поскольку введено законодательное ограничение содержания свинца в бензине. Таким образом, если до сих пор пресса и научная литература были переполнены лишь тревожными сигналами о состоянии воздушного бассейна городов, то сейчас появляется надежда, что с этой теневой стороной урбанизации можно справиться и что из печати исчезнут заголовки "Осторожно, воздух!" или "Чем дышать в Кракове?".

Теперь, после рассмотрения отдельных экологических факторов, попытаемся суммировать и оценить, насколько в целом своеобразна "экосистема Urbs". Обобщенную сводку изменения климатических факторов в результате урбанизации (по сравнению с сельской местностью) мы находим в книге Г. Ландсберга "Климат города":

Что касается всего комплекса условий, то если сельские поселения экологи сравнивают с опушкой леса - для города еще не предложено природных аналогий. Правда, по климатическим условиям наиболее критично настроенные авторы сравнивают город в средних и южных широтах с полупустыней (или даже со скалистой пустыней). Но если добавить сюда и весь "букет" загрязнений городской среды (а согласно той же сводке, их в городе в среднем в 12 раз больше, чем вне его), то мы придем к выводу, что, пожалуй, и не стоит искать для "экосистемы Urbs" аналогии среди естественных экосистем.

Из всего сказанного понятно, насколько необычные и сложные условия создаются для жизни растений в городской среде. Правда, это еще не те экстремальные, или "крайние", условия, о которых говорят экологи применительно к таким суровым местообитаниям, как арктические области, пустыни или высокогорья. Но и тех "узких мест" в экологической обстановке, с которыми мы познакомились в этом разделе, довольно, чтобы признать города достаточно трудными местообитаниями для растений.