Changing the properties of urban soil using different types of mulching substrates

Abstract

The article presents the results of an 18-month field experiment assessing the impact of 11 mulching substrates used in urban soils on a range of physical, chemical, and biological properties. The following substrates were studied: serpentine, marble, volcanic tuff, foam glass, coconut chips, painted and unpainted pine chips, large and small fractions of larch bark, and large and small fractions of pine bark. The substrates used were shown to have no negative impact on pH, total carbon (Corg) content, or its water-soluble forms (Cws), and no effect of the substrates on soil bulk density. The use of mulching substrates on urban soils contributed to an increase in the biological activity of the soil prokaryotic complex and a decrease in the number of sanitary-indicator and potentially pathogenic bacteria (Escherichia coli) in the soil, which reduces potential risks to the health of the urban population. The most favorable soil properties, based on the totality of the studied parameters, are formed under organic mulching substrates consisting of fine-sized particles, coconut chips and larch bark. An increase in the content of microscopic fungi in the upper horizon of urban soil under a 5-cm-thick mulch layer was detected. This may pose potential risks to human health due to the allergenic and potentially pathogenic properties of some soil micromycetes and requires further research. The obtained results allow us to recommend mulching urban soils with organic substrates not only for decorative purposes but also to enhance biological activity and, consequently, improve the biological condition of soils in anthropogenically transformed conditions.

References

1.    Белов А.А., Чепцов В.С., Лысак Л.В. Методы идентификации почвенных микроорганизмов. М., 2020. 196 c.
2.    Воробьева Л.А.Теория и практика химического анализа почв. М., 2006. 400 c.
3.    Воронин Л.В., Колесникова И.Я.Инициированные комплексы почвенных грибов в агроценозах // Ярославский педагогический вестник. 2012. Т. 3, № 1. С. 90–93.URL: https://cyberleninka.ru/article/n/initsiirovannye-kompleksy-pochvennyh-gribov-v-agrotsenozah
4.    Глушакова А.М., Лысак Л.В., Белов А.А. и др. Локальный мониторинг бактериального комплекса городских почв Сыктывкара в 2019 и 2020 гг // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2021. № 2. С. 45–50.
5.    ГОСТ 26423-85 Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, pH и плотного остатка водной вытяжки. М., 1985.
6.    Дроздова И.В.Особенности накопления макро- и микроэлементов растениями полярного Урала разных экологических групп // Тр.Всеросс. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века». Петрозаводск, 2008. С. 103–105.
7.    Когут Б.М. Оценка содержания гумуса в пахотных почвах России // Почвоведение. 2012. № 9. С. 944–952.
8.    Лысак Л.В.,Шоба С.А., Прокофьева Т.В. и др. Обилие и разнообразие прокариотных сообществ пылеаэрозоля и городских почв на территории Москвы // Почвоведение. 2023. № 5. С. 654–664.
9.    Сидорова М.А., Борисова Е.О. Особенности режима влажности модельной дерново-подзолистой почвы при мульчировании еловым опадом // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 2. С. 34–39.
10.    Соромотина Т.В., Федурина О.Н. Влияние мульчирующих материалов на агрофизические свойства почвы //Аграрный вестник Урала. 2012. Т. 12, № 104. С. 4–6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-mulchiruyuschih-materialov-na-agrofizicheskie-svoystva-pochvy
11.    Теории и методы физики почв /Коллективная монография под ред.Е.В.Шеина и Л.О. Карпачевского.М.,2007. 616 с.
12.    Умарова А.Б., Вайгель А.Э., Кокорева А.А.и др. Функционирование специализированных почвенных конструкций в условиях города Москвы // Вестн.Оренбургского государственного ун-та. 2013.Т. 10,№ 159. С. 355–358.
13.    Умарова А.Б., Архангельская Т.А., Кокорева А.А. и др. Многолетние исследования почв Больших лизиметров МГУ: основные итоги первых 60 лет (1961–2021 гг.). // Вестн. Моск. ун-та. Серия 17. Почвоведение. 2021. № 3. С.4‒20.
14.    Alqasemi A.S., Hereher M.E., Kaplan G. et al. Impact of COVID-19 lockdown upon the air quality and surface urban heat island intensity over the United Arab Emirates // Sci. Total Environ. 2021. Vol. 767. P. 144330. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144330
15.    Brevik E.C., Slaughter L., Singh B.R. et al. Soil and human health: current status and future needs //Air, Soil and Water Res. 2020. Vol. 13. P. 1178622120934441. https://doi.org/10.1177/1178622120934441
16.    Delgado A., Gómez J.A. The soil: Physical, chemical, and biological properties // Principles of agronomy for sustainable agriculture. Cham: Springer International Publishing. 2024. P. 15–30. https://doi.org/10.1007/978-3-031-69150-8
17.    Ghani A., Dexter M., Perrott K.W. Hot-water extractable carbon in soils: a sensitive measurement for determining impacts of fertilisation, grazing and cultivation // Soil Biol.Biochem. 2003. Vol. 35, № 9. P. 1231–1243. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(03)00186-X
18.    Li G.,Sun G.X., Ren Y. et al. Urban soil and human health: a review // Eur. J. Soil Sci. 2018. Vol. 69, № 1. P. 196–215. https://doi.org/10.1111/ejss.12518
19.    Mulumba L.N., Lal R. Mulching effects on selected soil physical properties //Soil Till. Res. 2008. Vol. 98, № 1. P. 106–111. https://doi.org/10.1016/j.still.2007.10.011
20.    Prokof'eva T.V.,Umarova A.B., Bykova G.S. et al. Morphological and physical properties in diagnostics of urban soils: case study from Moscow, Russia // Soil Sci. Annu. 2021. Vol. 71, №. 4. P. 309–320. https://doi.org/10.37501/soilsa/131598
21.    Rezapour S.,Nouri A., Shokohi M. et al. Urbanization accelerates soil degradation in peri-urban compared to rural farms //Sci. Rep. 2025.Vol. 16. P. 3878. https://doi.org/10.1038/s41598-025-33995-4
22.    Hoy L., Hendrick R., Stelli S.et al. Effects of different mulch types on soil moisture content in potted shrubs // Water SA. 2018. Vol. 44, № 3. P. 495–503. http://dx.doi.org/10.4314/wsa.v44i3.17
23.    Sun X.,Wang G., Ma Q. et al. Organic mulching promotes soil organic carbon accumulation to deep soil layer in an urban plantation forest // For. Ecosyst. 2021. Vol. 8, № 1. P. 2. https://doi.org/10.1186/s40663-020-00278-5
24.    Tokyo Climate Center, 2026.URL:https://www.data.jma.go.jp/tcc/tcc/products/climate/climatview/frame.php
25.    Voltr V.,Menšík L., Hlisnikovský L. et al. The soil organic matter in connection with soil properties and soil inputs //Agronomy. 2021. Vol. 11, № 4. P. 779.https://doi.org/10.3390/agronomy11040779
26.    Zheng F.,Gao J., Tang M. et al. Urbanization reduces the stability of soil microbial community by reshaping the diversity and network complexity //Chemosphere. 2024. Vol. 364. P. 143177. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143177
27.    Zhou W.,Sun X., Li S. et al. How organic mulching influences the soil bacterial community structure and function in urban forests // Microorganisms. 2024. Vol. 12, № 3. P. 520. https://doi.org/10.3390/microorganisms12030520