Часть 1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Номер пробы

Объем пробы, мл

D при 620 нм

[Cu²⁺], г/л

D при 480 нм

[Co²⁺], г/л

Объем элюата V, мл

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ

По дисциплине

«Методы экологических исследований»

Москва 2012

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_____________

российский государственный аграрный университет – МСха имени К.А. Тимирязева (ФГОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева)

Факультет почвоведения, агрохимии и экологии

кафедра экологии

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ

По дисциплине

« Методы экологических исследований »

(для студентов, обучающихся по специальности «Агроэкология»)

Студент (ка) ____курса, ___группы

Ф.И.О._______________________

Преподаватель_____________

Издательство РГАУ-МСХА

Москва 2012

Составители: И.М. Яшин – дбн, профессор; И.И. Васенев – дбн, профессор; В.А. Раскатов доцент; ассистент Л.П. Когут.

(ФИО составителей, ученая степень, ученое звание)

«18» января 2012 г.

Руководитель: И.М. Яшин – доктор биологических наук, профессор

(ФИО руководителя, ученая степень, ученое звание)

«18» января 2012 г.

Эксперт: В.И. Савич – дбн, профессор

(ФИО эксперта, ученая степень, ученое звание)

« 01» марта 2012 г.

Рабочая тетрадь по курсу МЭИ обсуждена на заседании кафедры экологии

«16» марта 2012 г., протокол № 3.

Зав. кафедрой экологии, профессор ___________________ И.И. Васенев

(подпись) (ФИО)

Согласовано:

Декан факультета ПАЭ, профессор: ____________________ В.Д. Наумов

(название факультета) (подпись) (ФИО декана)

«20» апреля 2012 г.

Председатель УМК

факультета ПАЭ, профессор _____________________ В.В. Кидин

(название факультета) (подпись) (ФИО)

«20» апреля 2012 г.

Оглавление

Стр.

Введение………………………………………………………………………........................…4

ТЕМА 1

Ландшафтное дешифрирование топографической карты,

анализ типов и форм рельефа[1]

Цель: научить студентов приемам ландшафтного дешифрирования топокарты.

Исходный материал для темы №1: фрагменты топографической карты, аэрофотоснимки и фотопланы с горизонталями масштаба М 1:10000 и М 1:25000. Стереоскопы. Планиметры, палетки…

Литература: Яшин И.М. с соавт. «Лабораторный практикум: ландшафтоведение». 2004. 70 с.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое ландшафтное дешифрирование аэрофотоснимков?

2. Какие приборы применяют при дешифрировании аэрофотоснимков и фотопланов?

3. В какой последовательности проводится дешифрирование аэрофотоснимков?

4. Какие компоненты ландшафта дешифрируются с трудом и неточно?

5. Что такое контурное ландшафтное дешифрирование?

6. С какой целью используются стереоскопические приборы?

7. Что такое накидной фотомонтаж?

8. Назовите особенности дешифрирования почв и почвенного покрова.

9. Укажите особенности дешифрирования растительного покрова и рельефа в ландшафтах.

10. По результатам дешифрирования составляется макет ландшафтной карты. Нарисуйте внемасштабную схему фрагмента такой карты и ответьте, как она будет использоваться в дальнейшем?

Порядок выполнения задания

1. Наложить кальку (10´10 см) на топооснову (или аэрофотоснимок). Вычертить рамку карты. Перенести на кальку точки наблюдений (и будущего описания компонентов ландшафтов по заданию преподавателя). Например, ландшафты тундры, тайги, лесостепной, степной и иных зон земного шара. При реальном экологическом картировании на рамку наносятся координаты местности и абсолютные отметки высот по GPS навигатору.

2. Используя дешифровочные признаки (прямые и косвенные) аэрофотоснимка и топоосновы, вычертить на подготовленной кальке формы и элементы мезорельефа конкретной природной зоны. Например, для зоны тайги – это формы моренного эрозионного и флювиального рельефа. После чего выделяют и переносят на кальку плакоры, а за ними – склоновые элементы. При этом обращают внимание на экспозицию (С, Ю, З, В…), протяженность, характер и крутизну склонов. Последний параметр определяют или с использованием шкалы заложений, или расчетным способом (найдя соотношение величин заложения на карте (h) и высоты сечения рельефа (d) на местности: tg a = h/d в одних и тех же единицах измерения).

3. Провести типологический анализ выделенных форм и элементов рельефа. Составить легенду к геоморфологической карте (или ее фрагменту). В легенде элементы моренного (или иных типов) рельефа должны быть систематизированы по типам и уровням поверхностей, начиная с наиболее высокого (плакоры) и заканчивая эрозионными (а также включая оценку местных базисов эрозии, вертикальную и горизонтальную степень расчлененности рельефа).

4. Выделить и охарактеризовать водосборы: оценить их генетические особенности, функционирование и роль в развитии миграции веществ (поверхностной и внутрипочвенной).

5. Раскрасить и оцифровать выделы элементов и форм рельефа согласно легенде к ландшафтной карте.

6. Провести зарамочное оформление фрагмента ландшафтной карты.

Ввиду дефицита учебного времени предусматривается частичное выполнение работы в форме домашнего задания.

Зачетный материал по теме. На кальке-накладке в цветовом изображении (плакоры – желтым, типы склонов – оттенками коричневого, долины рек и их элементы – террасы, пойма… – оттенками зеленого цвета) отражаются элементы плакоров, склонов и флювиальные формы рельефа. В зарамочное оформление карты входят: название карты, указание масштаба, легенда типов, форм и элементов мезо- и микрорельефа (они важны для последующей идентификации урочищ и фаций), а также фамилия и инициалы исполнителя и дата сдачи задания. Карта оформляется аккуратно. Возможно использование соответствующих компьютерных программ.

Обоснование задания (и справочный материал)

Студенты должны научиться распознавать (дешифрировать) на топографической карте (аэрофотоснимках, фотопланах с горизонталями…) генетические типы рельефа, а также их формы и элементы. Ниже будет изложен справочный и методический материал по теме 1. Студентам целесообразно дать письменную самостоятельную работу (аудиторную или домашнюю).

Известно, что формы макро- и мезорельефа – природные барьеры и дифференциаторы на поверхности Земли влаги, солнечной радиации (света), тепла и эрозионного материала. К элементам долинного флювиального рельефа относятся террасы и поймы постоянных и временных водотоков: суходолов, балок, оврагов, днища вáди, которые являются местными базисами эрозии (они имеют наименьшие абсолютные отметки местности и сюда попадает эрозионный сток).

Рассмотрим методологию дешифрирования аэрофотоснимков и фотопланов. Дешифрирование проводится по определенной системе: во-первых, выявляются и оконтуриваются на снимках территории с однотипным рельефом, растительностью и почвами. Этот этап работы можно определить как контурное ландшафтное дешифрирование.

Рис. 1. Принцип сопоставительного дешифрирования многозональных снимков (В.Л. Андроников, 1979)

А – зональные снимки (К – красная зона, ИК – ближняя инфракрасная зона), Б – схемы дешифрирования зональных снимков, В – результат сопоставления зональных снимков.

Л – лиственничные леса, С – сосновые леса, Е+Г – еловые леса и гари, А – аласы, П – пески.

Во-вторых, устанавливается содержание выявленных на снимках компонентов почв, пород и т.д. – этап генетического дешифрирования

Целевое дешифрирование почв и компонентов сельскохозяйственных ландшафтов можно заметно улучшить, если иметь сведения об их отражательной способности в определенной зоне спектра и вести съемку в тех узких диапазонах, где спектральные различия почв и растительности (культурной или естественной) максимальны.

Дешифровочные признаки почв

При дешифрировании почв по аэро- и космическим снимкам используют комплекс прямых и косвенных признаков. К прямым дешифровочным признакам относятся: тон, цвет, рисунок (текстура изображения), размер и форма почвенных контуров. К косвенным – типы и формы рельефа, особенности речных долин и водосборов, характер литологии и растительности, своеобразие антропогенной деятельности. Рассмотрим эти признаки.

Тон фотоизображения. Дешифрирование почв может быть заметно затруднено, если тон его изображения сольется с общим фоном ландшафтов. Тональность снимков характеризуют величиной контрастности:

, где B₁ – яркость объекта; B – яркость фона, окружающего объект. Порог яркостного контраста для глаза человека ~ 2%. Плотность аэрофотоснимков можно измерить с помощью микрофотометров типа МФ-4, ИФО-451 и других приборов. Визуально используют так называемую серую шкалу тонов: 1) белый (плотность 0,1 и менее), 2) почти белый (пл. 0,2-0,3), 3) светло-серый (пл. 0,4-0,6), 4) серый (пл. 0,7-1,1), 5) темно-серый (пл. 1,2-1,6), 6) почти черный (пл. 1,7-2,1) и 7) черный (пл. 2,2 и более). С помощью анализатора изображений «Квантиметр-720» можно различать 64 уровня серого тона на снимке.

Контуры пашни имеют разную тональность в зависимости от характера возделываемых культур, их возраста и степени гумусированности почв. Обычно многолетние травы, овощи, силосные и пропашные культуры имеют более темную тональность в сравнении с зерновыми. При созревании культур тон их контуров осветляется.

ТЕМА 2

М 1:10000 или М 1:25000

Исходный материал для задания тот же, что и в предыдущем, а также составленный фрагмент геоморфологической карты.

Вопросы для самоконтроля

Какая информация содержится в ландшафтной карте и как она используется?

Что такое экологическая карта? С какой целью она составляется?

Что такое экологическое картирование? Назовите его основные этапы.

Как выделить на топографической карте границы фаций и урочищ?

Что такое заложение и высота сечения рельефа?

Для каких целей и как используется шкала заложений?

Напишите условные обозначения: пашни, сенокоса, леса, пастбища, гари, кустарника, болота; значки эрозии почв.

Назовите основные параметры оценки склонов увалов и холмов.

По какому принципу составляется легенда к ландшафтной и экологической картам?

Какие типы точек наблюдения используются при изучении ландшафтов?

Для каких целей закладывают прикопки при почвенно-геохимическом картировании?

Нарисуйте схему экотона и месторасположение прикопок для уточнения почвенных контуров.

Порядок выполнения задания по теме 2

1. На составленной ранее геоморфологической карте (калька-накладка с фрагмента топоосновы или аэроснимка) выделить границы урочищ и фаций – исходя из форм и элементов рельефа, растительности… – и кратко охарактеризовать их особенности.

2. Учитывая элементы мезо- и микрорельефа, частоту горизонталей, уклон (и протяженность склонов, их состояние и характер производственного использования), почвенно-растительный покров, водосборы и базисы эрозии (см. рабочую легенду), дешифровочные признаки, провести границы между фациями и урочищами.

Прежде всего, следует провести границы фаций местных базисов эрозии: речной и овражно-балочной сети. Напомним, линию контура в пределах пойменных тыловых швов нельзя постоянно вести по одной горизонтали. Целесообразно следовать как бы за уровнем пóлых и меженных вод. Границы днищ эрозионных форм рельефа проводятся по касательной к окружности, мысленно вписываемой в изгиб горизонталей днища.

Привершинные водосборные понижения с выположенными склонами при выделении фаций не должны объединяться с ними в один контур, поскольку в них отсутствует деятельность строго направленного водотока.

Затем приступают к анализу и обозначению на новой кальке фаций с четко выраженным элювиальным процессом – плакоров.

На следующем этапе составления фрагмента ландшафтной карты выделяют фации склоновых площадок, используя для этого сведения по ландшафтному профилированию (точнее, данные о вертикальной и горизонтальной расчлененности рельефа).

Сходные по генезису группы фаций (в пределах однотипного мезорельефа) объединяют в урочища. Границы урочищ оконтуриваются красным цветом, а фаций – синим.

3. Составляют легенду к ландшафтной карте. В легенде под конкретным номером фации даются генетические характеристики компонентов ландшафтов – почвы, растительной ассоциации, почвообразующих пород… Антропогенные модификации фаций указывают на карте черной штриховкой.

4. Раскрашивают и нумеруют контуры фаций и урочищ.

5. Проводят зарамочное оформление карты (см. задание темы 1, а также учебное пособие «Почвенно-экологические исследования в ландшафтах», с. 43).

Зачетный материал – фрагмент учебной ландшафтной карты с выделенными фациями и урочищами (подурочищами), выполненный в цветном изображении в виде кальки – накладки на топокарту. Порядковая нумерация контуров фаций и урочищ приводится, исходя из составленной легенды к ландшафтной карте.

В рабочей тетради (при выполнении темы 2) могут быть (по заданию педагога) представлены описания компонентов ландшафтов по схеме, реализуемой на учебной полевой практике по сельскохозяйственной экологии. Рассмотрим эту информацию.

Чтобы получить необходимые сведения о природных ландшафтах и ландшафтообразующих процессах в полевой обстановке любого региона проводят рекогносцировку, а затем и собственно ландшафтное картографирование в М 1:10000 или М 1:25000 (крупномасштабная съемка). Рекогносцировка часто проводится путем облета (или объезда) всей изучаемой территории с редкими остановками и изучением ландшафтов. Цели рекогносцировки и сплошного картирования разные, хотя эти натурные изыскания включают одинаковые виды работ: маршрутные наблюдения, опорное ландшафтное профилирование, съемку ключевых (и эталонных – ненарушенных) участков. Все виды работ реализуются на так называемых точках: опорных, основных, картировочных и специальных. Опорные точки закладываются на опорном ландшафтном профиле.

Основные точки закладываются при маршрутных исследованиях в наиболее типичных фациях (преобладающих в ландшафте по площади). Полученные сведения можно экстраполировать на аналогичные фации. Это позволяет экономить материальные ресурсы. Подобный подход особенно эффективен при наличии макета ландшафтной карты и камерального дешифрирования аэрофотоснимков. В полевой обстановке один вид фации характеризуется одной основной точкой наблюдения. Здесь подробно дают морфологическое описание полнопрофильного почвенного разреза, выделяют 3-5 геоботанических площадок и детально описывают растительный покров (методы оценки фитоценозов изложены, например, в учебном пособии: Яшин И.М. с соавт., 2000. С. 198).

Картировочные точки используются для уточнения ландшафтной ситуации, для краткой оценки фаций-аналогов, обстоятельно охарактеризованных на основных и опорных точках.

Специализированные точки закладывают для углубленной оценки одного из компонентов ландшафтов: почв, растительности, пород, гидрографии (характер водосборов, экзогенные процессы…), или оценки почвенно-экологических процессов.

Работа на точках наблюдения начинается с их географической и топографической привязки, которая записывается в полевом дневнике. Местоположение точки отмечается на топографической карте и аэрофотоснимке и нумеруется. Привязка точки осуществляется по двум постоянным ориентирам, на которые можно взять азимут. Это положение весьма актуально при средне- и мелкомасштабной съемке. В последнем случае для точки наблюдения уточняют географические координаты местности.

Оценка растительного покрова. Обычно она предшествует изучению почв и закладке шурфов на опорных и основных точках. Работа в лесу начинается с выбора нескольких (произвольно устанавливаемых) геоботанических площадок, исходя из цели изысканий и масштаба съемки (площадью 100-400 м²). Площадка должна располагаться в пределах одной растительной ассоциации (биогеоценоза). Схема описания растительности хорошо отработана и изложена в методических руководствах по геоботанике. Характеристика лесной растительности включает оценку типа леса (лиственные, смешанные, хвойные… с уточнением природной зоны – умеренная, холодная, субтропическая…, где она расположена: на равнине, в горах), ярусности деревьев и кустарников, наличие подроста, высоты деревьев (по ярусам), густоту древостоя, сомкнутость крон, диаметра стволов на высоте 1-1,2 м; уточняются внешние изменения вегетативных органов растений и коры… Каждое название растений дается по-русски и по-латыни. Обычно отмечаются род и вид: ива белая – Salix alba; береза бородавчатая – Betula pendula. Подробно изучаются лесные подстилки, опад, наличие мохового и лишайникового покрова, приствольные повышения, состояние древостоя и иные параметры.

Наземный растительный покров в естественных фитоценозах исследуется с учетом типа ассоциации: степь (разнотравно-злаковая, дерновинно-злаковая и другие); луг (заболоченный, настоящий – типичный, остепненный) и болото (травяное, верховое, низинное, переходное…). Указываются следующие показатели: проективное покрытие (визуально и в процентах) доминанты; обилие по шкале О. Друде.

При картографировании почв и оценке состояния ландшафтов изучают морфологические признаки почв (их залегание в катенах, экологических профилях и переходных зонах – экотонах), отбирают почвенные образцы для анализов, изучают водно-физические свойства почв. Морфогенетические свойства почв исследуют по почвенным траншеям длиной 10-15 м, основным разрезам, полуямам и прикопкам. Нередко для этого используют зачистки на склонах оврагов и балок, обрывах речных и озерных террас, на стенках оросительных канав, траншей и карьеров. В последнем случае следует строго соблюдать технику безопасности работы на обрыве.

Глубина основных (ключевых) разрезов в зоне тайги составляет 125-200 см и лимитируется часто близким залеганием грунтовых вод и плотных пород (нередко валунами мореных отложений).

Перечислите основные генетические горизонты почв и дайте их индексировку:

1. Дерново-подзолистая легкосуглинистая на карбонатной морене,

2. Дерново-глеевая тяжелосуглинистая на покровных суглинках,

3. Пойменная дерновая слоистая на аллювии,

4. Сильноподзолистая супесчаная на флювиогляциальных отложениях.

________________

ТЕМА 3

Порядок выполнения работы

Используя гипсометрически-геоморфологический профиль и точки наблюдения (основные, картировочные), составить ландшафтный, а затем и экологический профили в выбранном масштабе высот и протяженности на миллиметровке (или кальке) с выделением границ фаций и загрязненных некоторыми ТМ участков (рис. 2).

1. Вычертить комплексный ландшафтный профиль с диагностикой почв (и почвенного покрова), растительности, почвообразующих и подстилающих пород, рельефа… Растительность и почвы характеризуют с оценкой их антропогенной нарушенности, состояния и эволюции.

2. На топографической основе (исходной картоснове для составления ландшафтной карты и профиля) показать положение ключевого (и эталонного) участка, на нем – линию ландшафтного профиля с опорными точками наблюдения.

3. Обосновать необходимость выделения на ландшафтном профиле дополнительных точек – основных, картировочных и специальных.

Зачетный материал по теме: опорный ландшафтный профиль и описание основных точек наблюдения.

Вспомогательный материал можно найти в справочном материале.

Рис. 2. Методика построения комплексного (экологического) профиля по топографической карте

▼ – места закладки «ключей» на профиле

Справочный материал

Тема: «Характеристика полевых методов экологических исследований».

Сочетание и детальность полевых МЭИ зависит от масштаба картирования.

Ландшафтно-экологическое картирование конкретной территории осуществляется при помощи следующих методов: 1) маршрутного наблюдения, 2) исследований на опорных точках ландшафтного профиля, 3) изучения компонентов ландшафта на ключевых участках («ключах»). Детальное (сплошное) картирование проводится при детальной съемке в масштабе М 1:200 – М 1:1000. При средне- и мелкомасштабном картировании заметно уменьшается количество маршрутов. Все большее значение приобретает экстраполяция результатов полевых наблюдений на геокомплексы-аналоги. Ландшафтной съемке предшествуют рекогносцировочные исследования (т.е. предварительное знакомство с изучаемой территорией), позволяющие решить следующие задачи: 1) проверить ряд контуров фаций и урочищ, выделенных на макете ландшафтной карты с реальными объектами, 2) составить рабочий план изысканий, выработать единую терминологию и утвердить единые методы исследований, 3) подготовить (и раздать) всем участникам экологических изысканий диагностические признаки, позволяющие определить генетические особенности почв, растительности и характер их загрязнения, 4) утвердить терминологию и последовательность изыскательных работ с составлением сметы расходов.

Маршрутный метод позволяет изучить пространственные комбинации фаций и урочищ в ландшафте, уточнить межфациальные рубежи и выявить особенности антропогенных трансформаций. Маршруты планируют так, чтобы они, по возможности, полнее пересекали все виды урочищ по наиболее коротким ходам. Иными словами, маршрутом следует пересечь все элементы мезорельефа. Протяженность и длительность маршрутов определяется категорией сложности объекта и масштабом полевых работ. При маршрутных исследованиях используют эмпирические подходы – наблюдения, описания и измерения. Обращается внимание на: характер смены мезоформ рельефа и особенности расчленения рельефа (включая и эрозию), своеобразие микрорельефа, смену фитоценозов (при изменении видового состава сообществ) и их взаимосвязь с литологией пород, нахождение межфациальных границ…

Метод опорного ландшафтного профилирования является основным приемом изучения вертикальной структуры и свойств компонентов фаций и межфациальных взаимосвязей. Количество опорных профилей зависит от сложности территории изысканий, поэтому при IV-й и V-й категориях сложности на предварительной (камеральной) ландшафтной карте закладывают не один, а несколько профилей, чаще всего параллельных и реже – перпендикулярных друг другу. Профиль начинается от берега реки и заканчивается в автономных (водораздельных) ландшафтах. Другой пример: от днища межгрядовой долины по склонам к автономным ландшафтам.

Построение ландшафтного профиля начинается с вычерчивания гипсометрического, а затем и геоморфологического профилей. Последние точно переносятся на миллиметровку в день камеральной обработки собранного материала. Условными обозначениями на ландшафтном профиле показывается вертикальная структура фаций (породы, рыхлые покровные отложения, почвы, фитоценозы, уровень грунтовых вод) и особенности границ между ними.

Ключевой метод исследования наиболее широко используется при средне,- и мелкомасштабных исследованиях. Здесь большую помощь оказывают материалы аэро- и космической съемки и результаты их дешифрирования. Ключевые участки выбирают по характерному сочетанию разных урочищ, а при мелкомасштабных исследованиях (М 1:1000000 и меньше) они включают ряд ландшафтов. На «ключах» в более крупном масштабе проводятся сплошные полевые работы по сравнению с остальной территорией. При этом используются: опорное ландшафтное профилирование, маршрутные наблюдения, исследования на основных и опорных точках.

Цель мелкомасштабной ландшафтной съемки состоит в проверке достоверности контуров, состава и структуры геокомплексов, выделенных в мелком масштабе на космических фотоснимках. Это, как правило, крупные урочища, виды и группы ландшафтов.

Основное требование к точности ландшафтной съемки – достаточность (для конкретного масштаба) точек наблюдения. Они должны весьма полно (и рационально) охарактеризовать все контуры геокомплексов. Эти требования определяются по аналогии с почвенной съемкой. При ландшафтной съемке масштаба М 1:1000000 минимальная величина контура на карте составляет 0,2 см², что в натуре составляет 20 км². При масштабе изысканий М 1:100000 – 0,5 см² (на карте) и 0,5 км² на местности; при масштабе М1:25000 – 0,5 см² на карте и 0,03 км² на местности. Достаточность точек наблюдения при разномасштабной съемке коррелирует с категорией сложности. Частая смена в пространстве одного или двух факторов определяет разнообразие морфологии ландшафта и мелкоконтурность его компонентов. Все это создает известные трудности при изучении ландшафтов и при их фиксации на картоснове. Здесь большую помощь могут оказать приемы компьютерного моделирования с использованием геоинформационных систем (ГИС технологии). Темы работ и их обоснование выдаются преподавателем. ГИС технологии актуальны и применяются для более обоснованного внесения средств химизации и оценки загрязнения почв агроландшафтов.

ТЕМА 4

Ландшафтов

Цель: научить студентов правильно оценивать ландшафты.

Исходный материал для задания: учебные пособия и специальные монографии: 1) «Почвы Московской области», 2) «Почвенно-экологические исследования в ландшафтах» (Яшин И.М., Шишов Л.Л., Раскатов В.А., 2000), 3) «Ландшафты» (Исаченко А.Г., 1992).

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные ландшафты Подмосковья.

2. Назовите основные компоненты пойменного ландшафта.

3. Назовите компоненты фации – ельника-черничника зеленомошного в Архангельской области.

4. Какую экологическую роль играет таежная хвойная растительность в функционировании ландшафта?

5. Где в таежном ландшафте формируются песчаные иллювиально-железистые подзолы?

Покажите на схеме речной долины местоположение подзолов

6. В каком ландшафте формируются аллювиальные почвы и почему?

7. В чем состоит особенность ландшафтов боровых террас?

8. В каких ландшафтах тайги распространены дерново-карбонатные почвы?

9. Могут ли в ландшафтах тайги на бескарбонатных породах сформироваться серые лесные почвы по аналогии с Тульскими засеками?

10. В каких условиях ландшафта (и агроландшафта) формируются дерновые луговые почвы, ошибочно диагностируемые в условиях Владимирского ополья как почвы со вторым гумусовым горизонтом?

Покажите на схеме катены местоположение почв со «вторым «гумусовым горизонтом.

___________________________________________________________

Порядок выполнения задания

По заданию преподавателя в рабочей тетради студенты дают эколого-геохимическую характеристику нативным или антропогенно преобразованным ландшафтам следующих природных зон Земли: тайги, лесостепи, степи. Необходимо объяснить состояние, структуру и специфику функционирования одного из указанных ландшафтов. Укажите роль таежной биоты в формировании почв и почвенного покрова.

Общая часть

При проведении лизиметрических опытов с помощью метода сорбционных лизиметров нередко возникает ситуация, когда в лаборатории приходится разделять смесь катионов на сорбенте. В этой связи рассматриваемая лабораторная работа имеет важное научно-практическое значение.

Реакции ионного обмена протекают на катионите в Н⁺ форме (1) и анионите в ОН^- форме (2) следующим образом:

RSO₃^-H⁺ + NaOH → RSO₃^-Na⁺ + Н₂О (1)

RNH₃^-OH^- + HCl → RNH₃⁺Cl^- + Н₂О (2)

При статическом методе смолу, например катионит в Н⁺ форме, титруют раствором щелочи. При динамическом методе величина ПОЕ определяется в динамике с помощью хроматографических колонок. Через сорбционную колонку, заполненную ионообменной смолой, пропускают раствор электролита и регистрируют зависимость концентрации поглощаемого иона в выходящем растворе (элюате) от объема прошедшего раствора (выходная кривая).

В данной работе величина ПОЕ сульфокатионита КУ-2 в Н⁺ форме определяется по количеству образовавшейся кислоты в элюате, в результате вытеснения из смолы ионов Н⁺ ионами Na⁺:

RSO₃^-H⁺ + Na⁺ + Cl^- → RSO₃^-Na⁺ + Н⁺ + Cl^- (3)

ПОЕ сорбента рассчитывают по формуле (4):

ПОЕ = (4)

где V_общ ─ суммарный объем раствора, содержащий

вытесненную из смолы кислоту (ионы Н⁺);

с ─ концентрация кислоты (ммоль/л);

m ─ масса ионообменной смолы в колонке (г).

Если через колонку с катионитом, в верхней части которой находится сорбированный ион M^z⁺, пропускается раствор кислоты, то в смоле происходит многократный процесс ионного обмена:

zRSO₃^-H⁺ + М^z ⁺ ↔ (RSO₃^-)_zM^z ⁺ + zH⁺ (5)

В условиях сорбционного равновесия при распределении ионов между протекающим раствором и слоями ионита (равновесная сорбция) отношение между концентрациями иона М^z ⁺ в смоле и растворе с (при малых значениях концентрации) равно:

(6)

Скорость нисходящего перемещения хроматографической зоны с постоянной концентрацией иона по высоте сорбционной колонки равна:

(7)

где v ─ объемная скорость пропускания раствора кислоты (см³/с);

s ─ площадь сечения колонки (см²).

В реальных почвенных условиях равновесие не успевает полностью установиться вследствие медленной диффузии ионов в частицах почвы, что приводит к размытию хроматографической зоны. Весьма четко диффузное размытие выражено в почвах, испытывающих оглеение. Здесь обычно выражена сегрегация ионов закисного железа.

Выражение (7) можно преобразовать следующим образом:

V_max = vτ_max; (8)

где V_max и τ_max ─ объем протекающего через колонку раствора и время, отвечающее максимуму выходной кривой (мл и с);

h ─ длина колонки см.

При малых концентрациях иона М^z⁺ и постоянной концентрации кислоты производную можно заменить на отношение конечных величин и считать концентрацию ионов водорода в смоле [H⁺] равное ПОЕ. Тогда:

(9)

Из уравнений (6) ─ (9) следует:

K_1,2 = (10)

Значение V_max находят с учетом поправки на свободный объем колонки V_о:

V_max = V*_max ─ V_o (11)

где V*_max ─ объем элюата, вышедшего из колонки от начала элюирования М²⁺ в элюате (максимум на выходной кривой).

При хроматографическом разделении ионов широко используется различная их склонность к образованию комплексных соединений.

Например, кобальт и медь могут быть разделены в колонке с сульфокатионитом при помощи десорбента ─ раствора цитрата калия (лимоннокислый калий). Если пропустить через катионит в К⁺ форме раствор, содержащий небольшое количество разделяемых элементов в отсутствие комплексообразователя, то ионы кобальта и меди поглощаются в верхнем слое смолы. Разделить кобальт и медь динамическим методом, промывая колонку раствором, содержащим ионы K⁺, трудно, так как константы обмена ионов Со²⁺ и Cu⁺ на ион K⁺ отличаются не намного. Если через колонку пропускать раствор цитрата калия (десорбент), то при контакте его со смолой происходит частичная десорбция меди и кобальта вследствие комплексообразования, например:

(RSO₂^-)₂М²⁺ + 2K⁺ + А^3- ↔ 2RSO₃^-K⁺ + [MA]^- (12)

где А³ ─ комплексообразующий анион лимонной кислоты.

С лимонной кислотой ионы кобальта и меди образуют несколько различных комплексных соединений [MA]^-, [MA₂]^4- и другие, которые не адсорбируются на катионите.

Таким образом, в присутствии органических лигандов (моно,- би,- три,- и полициклических) уменьшается концентрация катионов Со²⁺ и Cu²⁺, способных сорбироваться на катионите, и возрастает дóля несорбирующихся комплексных Со и Cu. При инфильтрации через слой сорбента вытеснителя (цитрата калия) происходит многократная сорбция-десорбция разделяемых ионов, причем катионы меди, образующие более устойчивые комплексы [R-Cu]^4- передвигаются вниз по слою ионита с бóльшей скоростью и отделяются от аналогов кобальта. В результате образуются различные по окраске зоны: голубая для Cu и оранжевая для Со.

Указанные положения теории иообменной сорбции в той или иной мере рассматривались нами ранее при изучении трансформации в сорбционных лизиметрах известковых мелиорантов и мобилизации в раствор ионов кальция и ряда тяжелых металлов. В полевых опытах было показано, что преимущественно ионы кальция и часть массы ионов тяжелых металлов не сорбируются катионитом КУ-2 и в заметных количествах проникают в приемник лизиметрических вод. Таким образом, их форма миграции в профиле почвы становится более определенная.

Порядок выполнения работы

«Разделение смеси ионов Cu²⁺ и Со²⁺ на катионите КУ-2 в водном растворе».

Для проведения работы необходимы:

─ Хроматографическая колонка с ионообменной смолой КУ-2,

─ Фотоэлектрический колориметр (ФЭК 56М),

─ Градуированные пробирки,

─ Стакан емкостью 50 мл,

─ Раствор соли кобальта (II) и соли меди (II),

─ 3 М раствор HCl,

─ 1,5 М раствор KCl,

─ Раствор, содержащий 0,15 моль/л однозамещенного цитрата калия и 0,15 моль/л двузамещенного цитрата калия.

Катионит предварительно переводят в K⁺ форму (см. определение ПОЕ смолы КУ-2). Для этого через колонку со скоростью 2 капли в 1 с пропускают последовательно растворы: 20 мл 3 М HCl, 40 мл 1,5 М KCl, 20 мл Н₂О. Затем около 4 мл разделяемой смеси ионов меди и кобальта пропускают через смолу и колонку промывают небольшим количеством (15-20 мл) воды. При этой операции ионы Cu²⁺ и Со²⁺ поглощаются в верхней части катионита (этот слой приобретает бурую окраску). В небольшую емкость над хроматографической колонкой наливают раствор цитрата калия, постепенно открывают кран колонки и собирают элюат в пробирки по 4,0-4,5 (5,0) мл. Скорость элюирования должна соответствовать 1 капле в 1 с.

Периодически добавляют раствор десорбента и проводят элюирование до полного выхода кобальта из колонки, о чем свидетельствует исчезновение оранжевой окраски элюата. С помощью фотоэлектроколориметра измеряют оптическую плотность D каждой порции элюата со светофильтром 480 нм (для определения содержания кобальта). Методика определения оптической плотности приведена ниже, а в таблицу заносятся результаты опыта. В качестве раствора сравнения используют дистиллированную воду. По калибровочным графикам, построенным с применением стандартных растворов солей меди и кобальта, находят концентрации Cu² и Со²⁺ в каждой пробе.

Полученные данные записывают в таблицу 1 и строят выходную кривую фракционирования ионов Cu²⁺ и Со²⁺.

Табл. 1. Экспериментальные данные по сорбционному разделению Cu²⁺ и Со²⁺ на катионите КУ-2 в динамике

Порядок работы на приборе ФЭК-56М

Включают фотоэлектроколориметр и «прогревают» его в течение ~ 30 мин. Устанавливают электрический нуль прибора, для чего рукояткой на верхней панели прибора световые лучи перекрывают шторкой (рукоятка в правом положении) и рукоятками «нуль» на левой панели устанавливают стрелку микроамперметра на «О». Правый луч ─ измерительный, а левый ─ компенсационный.

На пути левого светового луча устанавливают кювету, заполненную дисперсионной средой (водой). В правый кюветодержатель помещают две кюветы: одну с растворителем (Н₂О), другую ─ с исследуемым раствором. Вращая рукоятку на правой панели прибора на пути правого светового луча устанавливают кювету с раствором. Индексы правого и левого барабанов устанавливают на «О» по шкале оптической плотности (нанесена красными цифрами). Затем шторку, перекрывающую световые лучи, переводят в положение «открыто». Вследствие поглощения или рассеяния света исследуемой системой стрелка микроамперметра будет отклоняться от нулевого положения. Вращая барабан левой раздвижной диафрагмы, стрелку микроамперметра возвращают на «О» (уравнивают интенсивности обоих световых потоков). Затем поворотом рукоятки на правой панели прибора по ходу правого луча устанавливают кювету с дисперсионной средой. При этом стрелка микроамперметра, установленная на «О», смещается, так как фотометрическое равновесие снова нарушается. Вращением правого барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки и отсчитывают по шкале правого барабана значение оптической плотности исследуемой системы.

Определение полной обменной емкости (ПОЕ) катионита

КУ-2 в Н⁺ форме в динамике

Для проведения работы необходимы:

─ Хроматографическая колонка, заполненная 5 г смолы КУ-2,

─ рН - метр марки рН-340,

─ Градуированные пробирки,

─ Мерный цилиндр емкостью 250 мл,

─ Стакан емкостью 50 мл,

─ Бюретка,

─ 3 М раствор HCl,

─ 1,5 M раствор NaCl,

─ 0,2 M раствор KOH,

─ Фенолфталеин.

Ход эксперимента

В работе используется хроматографическая колонка, устройство которой изображено на рис. 2. Рабочий объем колонки 5, представляющий трубку с внутренним диаметром 10 мм и высотой 200 мм, заполнен сульфокатионитом КУ-2 с размером зерен 0,4-0,6 мм. Емкость 2 для элюента соединена с рабочим объемом колонки трубкой 4, благодаря которой создается избыточное гидростатическое давление, необходимое для прохождения раствора через слой ионита. Тонкий стеклянный стержень 3 способствует заполнению трубки раствором. Скорость пропускания раствора регулируется краном 6.

Табл. 2. Определение величины ПОЕ катионита КУ-2 в динамике

№ пробы	Объем пробы, мл	рН пробы	Суммарный объем элюата
1
2
3

Все растворы, содержащие вытесненную из смолы кислоту (остатки элюата в пробирках, растворы из кюветы рН-метра, вода после промывки пробирок и кюветы рН-метра), объединяют, сливают в мерный цилиндр и измеряют V_общ. Из этого общего объема пипеткой отбирают аликвоту (10 мл), переносят в плоскодонную колбу и титруют 0,2 М водным раствором КОН в присутствии индикатора фенолфталеина. Определяют концентрацию кислоты. Затем рассчитывают величину ПОЕ катионита в мг-экв на 1 г ионита по формуле:

ПОЕ = (13)

Если определяется полная динамическая обменная ёмкость (ПДОЕ) катионита по отношению к ионам металла, допустим Zn²⁺, то эту аналитическую операцию рассмотрим на следующем примере.

Пример: Определить ПДОЕ катионита КУ-2 (моль/г), если известно, что через сорбционную колонку, содержащую 5,0 г сорбента, пропустили 250 мл 0,05 М водного раствора ZnSO₄, а вытекающий из колонки элюат последовательно собрали в 5 колбочек по 50 мл и определили в них концентрации ионов Zn²⁺моль/л: в 1-й ─ 0,008, во 2-й ─ 0,029; в 3-й ─ 0,038; 4-й ─ 0,050 и 5-й ─ 0,05.

Решение. Вычисляем количество эквивалентов Zn²⁺, поглощённое из каждой порции раствора, принимая молярную массу эквивалента равной М (1/2Zn²⁺). Получим для пяти порций элюата:

1-я порция:

2-я порция :

3-я порция :

4 и 5-я пробы не содержали ионов Zn²⁺. Всего в 5-ти порциях раствора было обнаружено ионов цинка: 4,2 + 2,1 + 1,2 = 7,5 ммоль Zn²⁺ (1/2).

Отсюда ПДОЕ катионита КУ-2 равна: 7,5/5 = 1,5 ммоль/г сорбента.

Выводы по работе: 1. В отличие от химического подхода при эколого-геохимическом в лабораторной работе предватительно рассматриваются особенности организации стационарных наблюдений в ландшафтах. Это позволяет студентам полнее познать ландшафтную ситуацию и целенаправленно проводить лабораторные исследования; 2. Поскольку при изучении процессов трансформации и водной миграции

веществ в почвах агроландшафтов часто используется метод сорбционных лизиметров, понятна актуальность проведения лабораторных опытов по изучению сорбции-десорбции веществ целевыми сорбентами; 3. Изучены особенности сорбции ряда ионов тяжелых металлов на катионите КУ-2 в Н+ форме; 4. Установлена своеобразная роль органических лигандов в комплексообразовании с ионами кобальта и меди и слабая сорбция их устойчивых (и водорастворимых) органо-минеральных комплексов катионитом КУ-2 в Н⁺форме; 5. В этой связи в сорбционных лизиметрах при исследовании миграции ионов металлов наряду с ионитами следует применять и другие сорбенты.

Контрольные вопросы к защите лабораторной работы № 1

1. Охарактеризуйте реакцию ионного обмена в водном растворе между катионами кальция и ионами водорода катионита КУ-2,

2. Напишите реакцию ионного обмена между цитратом меди и ионами калия, сорбционно закрепленными на катионите КУ-2,

3. Для каких целей в сорбционных лизиметрах используется катионит КУ-2 в Н+ форме?

4. Каким образом можно определить полную динамическую емкость сорбента (катионита КУ-2)?

5. В сорбционных лизиметрах используется произвольная или определенная масса сорбента? От чего она зависит?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Какую роль играют низкомолекулярные органические кислоты почв тайги в сорбции ионов металлов (в том числе и тяжелых) катионитом КУ-2 в сорбционных лизиметрах?

7. Объясните, как определить необходимую массу того или иного сорбента для сорбционного лизиметра?

Вопросы для самоконтроля по теме 2а

1. Какие методы используются для глубокой очистки природной воды?

2. Какие сорбенты применяют для очистки природных вод от соединений железа?

3. Какие сорбенты применяют для глубокой очистки природных вод от водорастворимых органических веществ с кислотными свойствами?

4. Какие методы применяют для дезинфекции природных вод перед водопотреблением?

5. Для каких целей проводят центрифугирование и диализ природной воды?

6. С какой целью проводят озонирование и известкование природных вод перед водопотреблением?

Приведите примеры возможных химических реакций.

1. Взаимодействие СаСО₃ с органической кислотой:

2. Взаимодействие кальцита с гидрозолем гидроксида железа:

Тема №2а

«Аналитическая технология глубокой очистки воды от примесей, ионов, коллоидов, органических лигандов, экотоксикантов, болезнетворных микроорганизмов, вирусов и простейших паразитов».

Экологи, токсикологи и гидрохимики отмечают, что в водных источниках заметно возросла концентрация различных возбудителей заболеваний. Это связано с изменением гидрохимического состава поверхностных природных вод и микробиологическим загрязнением за счет привноса бытовых стоков и фекальных масс. Известно, что в бытовых и сточных водах встречаются микроорганизмы, вызывающие инфекционные (и эпидемиологические) заболевания: дизентерию, брюшной тиф, гепатит, лямблиоз, сальмонеллез. Из кишечника и моче – половых путей человека выделяется более 100 видов вирусов, которые проходят через простые очистные сооружения и попадают в водоемы. В курортных городах подобные стоки очень часто сбрасываются вблизи пляжей неочищенными в морской бассейн. Коммунальные службы, по-видимому, предполагают их естественную дезинфекцию и самоочищение в соленой воде. Однако на мелководье, даже в морской воде, инфекция сохраняется довольно длительное время, достаточное для заражения людей (туристов и отдыхающих) в жаркие летние месяцы курортного бума, особенно в тропиках и субтропиках. Установлено, например, что за сутки больной или инфицированный человек выделяет 2-7 x 10⁸ шт. болезнетворных микробов, а в 1г фекалий содержится в среднем 2000 тыс. цист лямблий. Этот пример наглядно показывает, с одной стороны, насколько важен здесь экологический мониторинг за эко-токсикологическим состоянием почв, стоков и природных вод, а с другой – какие высокие требования должны предъявляться к обеззараживанию и очистке сточных вод.

Методы, используемые при очистке и дезинфекции природных вод

Промышленные сточные воды зачастую биологическим путем не очищаются, поэтому существенное значение имеет их локальная физико-химическая обработка до сброса в общегородской коллектор. Бытовые сточные воды обычно хлорируют, озонируют, обрабатывают пероксидом водорода (это экологически «чистый» окислитель), а также подвергают воздействию УФ - света и гамма-излучению.

Хлорирование – один из самых распространенных методов дезодорации сточных и бытовых вод. Несмотря на простоту и компактность установок для хлорирования, доступность и дешевизну хлора и его производных (CLO₂ , HOCL…) очистка воды активным хлором может иметь ограниченное применение. Связано это с недостаточной глубиной окисления растворимых органических веществ (нативных и искусственных), образованием токсичных хлорорганических соединений, необходимостью применения высоких доз хлора, токсичностью самого реагента – хлора.

Озонирование – технологический прием, при котором происходит одновременное окисление органических веществ, растворенных в воде, обесцвечивание, дезодорация, обезвреживание стоков и насыщение воды кислородом. Озон используется также для очистки вод от цианидов, роданидов, сероводорода, мышьяка и иных экотоксикантов, а также от гумусовых веществ, пестицидов, фенолов и углеводородов. Озон эффективен при водоподготовке питьевых вод. Озон представляет собой модификацию О₂, но сильно от него отличается: он интенсивно окрашен, токсичен и взрывоопасен. ПДК для озона в рабочей зоне составляет 0,0001 мг/л. Эффективность использования озона резко возрастает в присутствии сорбентов, например, активированного угля.

Пероксид водорода – по сравнению с озоном имеет следующие преимущества: он хорошо растворим в воде, устойчив в водных растворах, окисляет широкий спектр органических соединений при различных величинах pH, нетоксичен. В силу своих технологических преимуществ H₂O₂ нашел широкое применение в зарубежной практике очистки сточных и бытовых вод. Метод отличает дефицит реагента и его высокая стоимость. Вернемся к теме № 2.

Предлагаемая лабораторная работа включает ряд этапов на пути использования физико-химических методов и обеззараживания воды:

первый - отстаивание, аэрация, озонирование и обработка Н₂О₂;

второй – коагуляция коллоидов кремния, железа, алюминия, марганца…коагулянтами, а также флокуляция и флотация;

третий – центрифугирование;

четвертый - фильтрация и ультрафильтрация;

пятый - сорбция растворимых (ионно-молекулярных) форм химических соединений различными сорбентами: оксидом алюминия, активированным углем, порошком кальцита (или доломита).

В теоретической части работы особое внимание уделяется свойствам активированных углей - уникальным поглотителям различных классов веществ из водных растворов, а также анализу математических уравнений изотерм сорбции – по Лэнгмюру, Фрейндлиху, Генри…

Литература: А.А. Лурье «Хроматографические материалы». М. Химия. 1978.

Лабораторная работа №2

«Изучение влияния компонентов «кислотных дождей» на экологическое состояние и функции почв таежных (и иных) экосистем».

Вопросы для самоконтроля

1. Как возникают в ландшафтах «кислотные дожди»? Какие компоненты они содержат?

2. Как влияют «кислотные дожди» на компоненты почвы?

3. Могут ли улучшать почвенное плодородие агроэкосистем «кислотные дожди»?

4. Какие технологические методы можно рекомендовать для уменьшения масштаба «кислотных дождей»?

5. Что происходит при контакте «кислотных дождей» с гумусовыми веществами почвы?

6. Что такое техногенная кислотность ландшафтов?

7. Объясните термин «биогенная кислотность» таежной экосистемы.

В теоретической части работы рассматривается химическое воздействие водных растворов некоторых минеральных кислот (H₂SO₄, HCL, HF, HNO₃…) на состав обменных катионов почв подзолистого типа, емкость поглощения и свойства почвенно-поглощающего комплекса (ППК), кислотность почвы и подвижность гумусовых соединений. Отмечаются функции и роль ионов водорода и алюминия в формировании свойств почв подзолистого типа.

Лабораторные опыты проводятся в статике и динамике (в хроматографических колонках) с образцами почв, известняка и сорбентов. Техника постановки опытов может быть заимствована из предыдущих лабораторных работ.

Студентам предлагается самостоятельно провести эксперимент по влиянию водных растворов сильных минеральных кислот на ППК подзолистой почвы и чернозема выщелоченного (учхоз «Муммовское» Саратовская область). Определить концентрации в элюатах ионов кальция и мобильного гумуса. Сделать экологические выводы: в чем отличие, например, воздействия слабых водных растворов азотной и серной кислот на почвы?

Лабораторная работа № 3

Тема: «Оценка экологических функций мобильных гумусовых соединений в экосистемах тайги».

Данная работа реализуется по следующим направлениям (по выбору студентов или предлагается преподавателем):

а) мобильные гумусовые соединения как дополнительные источники ионов водорода (гидроксония) в почвах;

в) мобильные гумусовые вещества как уникальные природные лиганды, играющие важную роль в комплексообразовании;

с) мобильные гумусовые вещества, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях;

d) роль мобильных гумусовых веществ в трансформации и водной миграции ионов металлов в почвах таежной зоны.

Студентам выдаются задания по указанным выше вопросам. Предлагается самостоятельно дать им теоретическое обоснование и наметить план выполнения лабораторной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните экологические функции мобильных групп гумусовых соединений (в частности, фульвокислот) в экосистемах тайги.

2. Назовите основные процессы формирования мобильных групп гумусовых веществ в таежных экосистемах.

3. Охарактеризуйте основные компоненты, входящие в состав мобильных гумусовых соединений.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Объясните, почему в составе мобильных гумусовых соединений почв тайги содержатся органические вещества кислотной природы?

5. Какую роль играют органические кислоты в функционировании таежной экосистемы?

6. Охарактеризуйте аналитическую схему W. Forsyth – И.М. Яшина (1974), используемую для фракционирования мобильных гумусовых соединений почв таежных ландшафтов.

7. Объясните основные аналитические операции, которые были заменены в схеме W. Forsyth (1947) И.М. Яшиным в 1973 г. и почему?

Диализ –

Использование высокозольного активированного угля БАУ -

Применение химически высоко активных водных растворов - минеральной кислоты HCL и щелочи NaOH -

8. На основе, каких опытов при исследовании состава и свойств ВОВ и фульвокислот Яшиным И.М. были сделаны вышеуказанные выводы?

Тема 3.1

«Определение коэффициента мобилизации k _моб некоторых химических элементов (С_орг, ионов Fе²⁺, Сd²⁺, Са²⁺) из различных труднорастворимых веществ: органогенных субстратов, известковых мелиорантов, фосфоритной муки и ряда продуктов антропогенеза (мартеновских шлаков, осадков сточных вод, вскрышных пород и отвалов...)».

Рассчитывается коэффициент мобилизации на основании результатов лабораторного опыта или литературных сведений (см. статьи И.М. Яшина с соавт., 1989, 1993, 1996, 2000, 2003).

Тема 3.2

«Использование известной аналитической схемы W . Fors y th - И.М. Яшина для диагностики состава и свойств водорастворимых органических веществ (ВОВ) с кислотными и комплексообразующими свойствами путем их сорбции и фракционирования на низкозольном активированном угле «карболен».

Рассчитывается константа равновесия k_равн.между индивидуальной (простые органические вещества фотосинтетической природы) и специфической – фульвокислотами - группами ВОВ. Оценивается роль ионов Fe³⁺ в формировании новых специфических компонентов ВОВ. Делается вывод о направленности процесса гумификации органогенных субстратов (растительного опада и лесной подстилки) в почвах таежной зоны.

Тема 3.3

«Исследование молекулярно-массового состава компонентов ВОВ с кислотными свойствами с помощью метода гель-хроматографии».

Продолжается изучение выделенных из органогенных субстратов групп ВОВ индивидуальной и специфической (фульвокислоты) природы. В работе используются гели - декстрана Молселект и Сефадекс: G-10, G-25 и G-50.

Предварительно проводится калибровка хроматографических колонок, рассчитывается ряд их рабочих параметров и диагностируются молекулярные массы (ММ) ряда стандартных (сложных) природных органических веществ. См. научные работы А.И. Карпухина, 1986.

Тема 3.4

«Определение состава и устойчивости некоторых мобильных органоминеральных соединений с помощью метода систематизированной гель-хроматографии».

В данной лабораторной работе целесообразно выполнить следующие этапы: 1-й - получить мобильные формы, например Fe - и Cd -органических соединений, в результате взаимодействия, например, мобильных органических лигандов с почвой, Fe(OH)₃ и т.д.; 2-й - определить в их составе массы ионов металла и С_орг; 3-й - фракционировать, в частности, водорастворимые Fe-фульватные комплексные соединения на системе гелей: G-10, G-25, G-50; 4-й - изучить их устойчивость при прохождении через колонку с ионообменной смолой (или образцом почвы) и определить величину сорбции указанных соединений в статике (или динамике) тонкодисперсным порошком СаСО₃. В последнем случае важно установить мобилизацию в раствор ионов кальция.

Тема 3.5

«Характеристика и оценка экологической кислотности конкретной таежной экосистемы».

Данная тема представляет собой расчетно-аналитическую работу.

Согласно И.М. Яшину и И.С. Кауричеву (1996, 2002) экологическая кислотность - это один из механизмов адаптации групп живых организмов к суровым условиям тайги. В принципе биогенное кислотообразование – это уникальный механизм функционирования таежной экосистемы. Студентам объясняется данный экологический механизм. Отмечается его важность и уникальность. Рассчитываются дополнительные массы ионов водорода из разных источников и потоки ВОВ в таежной экосистеме. Обращается внимание, что экологическая кислотность тесно связана с химической, диагностируемой обычно в твердой фазе (образце) почвы конкретного горизонта. Констатируется: функционирование реальной таежной экосистемы должно оцениваться по 3-м составляющим кислотности:

- экологическая (биогенная),

- химическая (почвенная) и

- антропогенная (кислотные дожди);

Суммарный параметр характеризуется как общая кислотность экосистемы. Указанные положения очень актуальны, особенно при расчете параметров почвенно-геохимических потоков мигрантов, а также при усовершенствовании методологии оценки и технологии известкования почв подзолистого типа. Необходимо подчеркнуть, что тема лабораторной работы 3.5. является новой и приоритетной в почвенно-экологических изысканиях. До сих пор совершенствование методологии исследования кислотности проводилось на нуль-мерном пространстве почвенного образца путем унификации методов диагностики в почве массы протонов.

Новый экологический подход при оценке кислотности состоит в том, что почва нами рассматривается не только как самостоятельное естественно-историческое природное тело, но и как компонент реальной экосистемы и ее продукт. Следовательно, формирование и эволюция почвы неразрывно связаны как с процессами почвообразования, так и с функционированием конкретной экосистемы – биогеохимическим круговоротом веществ.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое метод сорбционных лизиметров? Для каких целей он применяется?

2. Какие типы лизиметров (кроме сорбционных) вы знаете?

Назовите недостатки плоского лизиметра Шиловой -

3. Нарисуйте схему сорбционного лизиметра с приемником вод и объясните его принцип действия в почве.

Схема сорбционного лизиметра:

сорбционная колонка - приемник лизиметрических вод:

4. Охарактеризуйте методику химической очистки кварцевого песка (традиционную и по методу И.М. Яшина, 1991).

5. Как «набивают» сорбционную колонку песком и сорбентами? Нарисуйте схему сорбционной колонки для изучения восходящей миграции веществ. Какую роль в функционировании сорбционной колонки играет песок?

6. Нарисуйте схему установки сорбционных лизиметров в почвенном профиле:

7. Какие типы сорбентов и для каких целей применяют в почвенно-экологических исследованиях?

__________________________________________________________________Гидрофобные____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Гидрофильные_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Ионообменники _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8. Какие сорбенты применяют в колонках для сорбции органических кислот из почвенных растворов?

9. Какие сорбенты используют в колонках для сорбции Fe-, Cd,- Zn-, Pb-органических комплексных соединений из почвенных растворов подзолистых почв тайги?

__________________________________________________________________

10. Охарактеризуйте методику расчета масштаба миграции веществ в почве с помощью метода сорбционных лизиметров.

Масштаб миграции, например, углерода ВОВ можно рассчитать на основе ...

11. Какие процессы лежат в основе хроматографического анализа?

12. Кто из специалистов РГАУ-МСХА внес весомый вклад в совершенствование метода хроматографии и его практическое применение в почвоведении, экологии, биохимии, физиологии растений?

Охарактеризуйте приоритеты научных исследований проф. И.С. Кауричева и его учеников – проф. А.Д. Фокина, А.И. Карпухина, И.М. Яшина

Тема 3.6

«Особенности применения метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях»

Студентам предлагается на выбор ряд научных задач, которые изложены в учебном пособии И.С. Кауричева, И.М. Яшина и В.А. Черникова «Теория и практика метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях» (1996,143 с.)

В указанном пособии рассматриваются следующие вопросы: методология постановки модельных лабораторных экспериментов; закладка стационаров; физико-химические свойства сорбентов; аналитические схемы разделения и диагностики веществ в почвенных растворах; техника подготовки сорбционных лизиметров; фактический материал по вопросам трансформации и миграции веществ в почвах и почвенном покрове; поля миграции; параметры миграции, например ВОВ с кислотными свойствами и органо-минеральных соединений для уточнения параметров экологической кислотности. Каждый из этих вопросов может быть выбран в качестве темы для написания курсовой работы. Информация темы 3.6 тесно связана с практикой хроматографического анализа в почвоведении и экологии.

Таким образом, малый лабораторный практикум по курсу МЭИ позволяет студентам, обучающимся по специальности «Агроэкология», полнее ознакомиться с теоретическими и практическими аспектами хроматографии, ионометрии, фракционированием, фильтрацией и комплексообразованием. Девиз практикума можно охарактеризовать так: «Сорбенты – основа качества жизни и экологической безопасности».

Обучающиеся будут оценивать экологическую ситуацию ландшафтов и административных районов, в частности, Подмосковья. Интерпретация результатов опытов по хроматографии позволит студентам-экологам понять вклад почвенного покрова в формирование химического состава природных вод. Так, в таежной зоне формируется масштабный биогенный и абиотический поток органических лигандов с кислотными свойствами, являющихся движущей силой миграции различных химических элементов. Поэтому природные воды тайги содержат в растворимом (ионно-молекулярном) состоянии большое количество фульвокислот и иных органических веществ, а также органоминеральные соединения железа, алюминия кремния при дефиците кальция. Качество таких вод для питья явно неудовлетворительное и требует обязательной очистки путем последовательных технологических операций: отстаивание, аэрация, коагуляция, фильтрация через песчано-карбонатные, целлюлозные и иные абсорберы…, обеззараживание и т.д. В зоне степей, где распространены черноземы, ситуация совершенно другая: химический состав поверхностных природных вод отличается очень низким содержанием ионных форм железа, алюминия и кремния. В водах преобладают растворимые гидрокарбонаты кальция. Содержание С_орг также крайне низкое. Качество питьевой воды – чаще всего хорошее (если нет антропогенного загрязнения).

Отметим, что проблема глубокой очистки природных вод для населения является одной из приоритетных, получивших поддержку в одном из национальных проектов Президента Российской Федерации на период 2006 -2015 гг. В этой связи особое внимание следует уделять не только очистке воды и водоподготовке, но и предупредительным мерам: улучшить эколого-химический контроль за деятельностью различных производств, предприятий, свалок и очистных сооружений. Например, в Подмосковье более 80% свалок расположены в поймах рек, что недопустимо из-за химического загрязнения пойменных почв и природных вод. Овощная продукция и рыба оказываются опасными для употребления в пищу.

Лабораторные работы выполняются в лаборатории агроэкологии, в 6-м учебном корпусе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Студенты работают на занятиях в халатах, знакомятся с техникой безопасности и охраной труда, правилами проведения опытов в химических лабораториях.

Выносить из лаборатории любые химические реактивы строго запрещается. Не разрешается также принимать пищу и пить воду на рабочем месте. К концу семестра рабочая тетрадь должна быть аккуратно оформлена. Каждое задание принимается преподавателем. Студенты представляют рабочую тетрадь к экзамену (зачету).

___________________

ЗАДАЧИ

Условия задач и их решение

Задача № 1

Определить градиент барьера миграции G соединений кадмия в таежной агроэкосистеме (в частности, в почве), если известно, что масштаб миграции m₁ ионов кадмия «на входе» гор. А₁ составляет 5,0 мг/м²·год^-1, а m₂ на «выходе» из гор. А₁ ─ 2,6 мг/м²·год^-1. При этом мощность l горизонта А₁ достигает 22 см.

Решение задачи № 1.

Задача № 2

Определить коэффициент мобилизации k_моб ионов свинца из доломитизированного известняка, внесенного в гор. А₁ дерново-подзолистой почвы южно-таежной экосистемы, если известно, что в твердой фазе мелиоранта содержится 0,004% PbO и PbСО₃, а ВОВ с концентрацией углерода 107 мг/л и рН = 3,85 мобилизуют за 1 месяц 0,02 мг ионов Pb²⁺ в растворимое состояние.

Решение задачи № 2.

Задача № 3

Рассчитать массу ионов свинца, мобилизуемую в раствор из доломитизированного известняка, если известно, что k_моб равен 0,032 за 1 год, а в мелиоранте содержится 37,5 мг/кг PbCO₃.

Решение задачи № 3

Задача № 4

Исходя из величин Кларка и масштаба миграции, определить, какой химический элемент мигрирует интенсивнее в таёжном ландшафте: железо или кремний? В частности, в профиле подзолистой почвы. Известно, что масштаб миграции Fe³⁺ m₁ = 326 мг/м², а кремния m₂ ─ 3108 мг/м²; Кларки железа и кремния в почве соответственно составляют 2,7% и 54%. Сухой остаток в природной воде ─ 0,22 г/л.

Решение задачи № 4

Задача № 5

В уравнении эмпирического материального баланса гумуса (О_п·k_г = В·k_мин), допустим, величина О_п (масса ежегодного опада растений) в агроэкосистеме существенно (в десятки раз) уменьшилась вследствие сжигания стерни и отчуждения послеуборочных остатков. Прокомментируйте, как будут изменяться величины В (запасы гумуса) и коэффициент гумификации k_г, если k_г намного меньше k_мин?

Решение задачи № 5

Задача № 6

Прокомментируйте эмпирическое уравнение материального баланса гумуса: О_п·k_г = В·k_мин при техногенном разрушении гор. А₁ и химической деградации гумуса почвы в зоне тайги.

Решение задачи № 6

Задача № 7

1. Рассчитать коэффициент накопления k_н ионов кальция озимой пшеницей в вегетативном опыте, если известно, что в почве содержится 1,2% СаО, масса растений ─ 120 г, а масса золы ─ 2%. При этом в золе содержится 10% кальция от суммы других химических элементов в форме оксидов.

2. Сделать вывод, к какой группе химических элементов относится Са?

Решение задачи № 7

Задача № 8

Определить период круговорота Т_к ионов кобальта в вегетационном опыте с культурой овса, если известно, что скорость круговорота кобальта составляет 0,025 г/час, а показатель круговорота ─ 0,5 г/сут.

Решение задачи № 8

Задача № 9

Рассчитать показатель круговорота П_к углерода в вегетационном опыте (t = 75 сут.) с оз. пшеницей, если известно, что скорость V_к круговорота С_орг и С_норг составляет 0,025 г/ч, а коэффициент накопления k_н ─ 13. Биомасса урожая ─ 50,0 г/сосуд.

Решение задачи № 9

Задача № 10

Определить коэффициент накопления k_н кобальта и обосновать его физический смысл в вегетационном опыте с оз. пшеницей, если известно, что период круговорота Т_к составляет 40 ч, а показатель круговорота П_к ─ 0,33 г/ч.

Решение задачи № 10

Задача № 11

Рассчитать величину ёмкости круговорота А массы кобальта, прошедшего через лесной фитоценоз (подрост) за полгода, если известно, что показатель круговорота П_к = 0,5 г/ч, биомасса на 1 м² равна 20 кг, Кларк кобальта n_x 1,8·10^-3%, время ─ 0,5 года. Объясните, почему искомая величина А оказалась больше биомассы растений?

Решение задачи № 11

Задача № 12

В стационарном полевом опыте, проводившемся в подзолистой почве подзоны средней тайги, установлено, что за два года наблюдений из зоны внесения метки (радиоактивного изотопа С¹⁴) вертикальная нисходящая миграция ВОВ составила 39-41 см, а путь воды за это же время ─ 91 см. Определить относительную (среднюю) скорость миграции С_орг в составе ВОВ (при отсутствии латеральных потоков в элювиальном геохимическом ландшафте).

Решение задачи № 12

Задача № 13

Рассчитать коэффициент накопления k_н ионов свинца в растениях гороха, выращиваемого в вегетационном опыте, если известно, что общая масса растений составляет 120 г, содержание золы 3%, а доля свинца в золе составляет 1% от общего содержания химических элементов. Кларк Pb в почве ─ 3,0·10^-3%.

Решение задачи № 13

Задача № 14

Зная коэффициент обновления k_обн гумуса компонентами ВОВ в дерново-карбонатной почве подзоны средней тайги, равный 2% за 1 год, определить общее время пребывания С_орг в молекулах гумусовых веществ, сорбционно закреплённых на матрице почвы.

Решение задачи № 14

Задача № 15

Определить коэффициент обновления k_обн гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы, если известно, что за период вегетации (t = 3 мес.) на 1 м² пашни в раствор мобилизуется 14,7 г С_орг водорастворимых органических веществ (ВОВ), а запас гумуса на 1 м² составляет 1540 г.

Решение задачи № 15

Задача № 16

Определить время миграции С_орг ВОВ от поверхности почвы до заданной глубины (23 см) на площади 1 м², если известно, что запас мобильной группы гумусовых соединений (ФК) в слое дерново-подзолистой почвы массой 320 кг на площади 1 м² составляет 2,56 кг, а масштаб миграции ВОВ через эту же площадь за 1 год достигает 141 г/м² на «входе» в гор. А₁ и 15 г/м² на «выходе» из этого же горизонта.

Решение задачи № 16

Задача № 17

Найти массу фульвокислот в твердой фазе дерново-подзолистой почвы на основании изучения ее фракционно-группового состава гумуса по Тюрину-Пономаревой, в частности в гор. А₁, если известно, что плотность твердой фазы равна 1,28 г/м³, расчетная площадь поверхности почвы 1 м², мощность горизонта А₁ 25 см, содержание С_общ ─ 1,0%; при этом массовая доля углерода фульвокислот в гумусе достигает 53% от С_общ в почве.

Решение задачи № 17

Задача № 18

Рассчитать импульс миграции С_орг ВОВ в гор. А₁ дерново-подзолистой почвы южно-таёжного ландшафта за 0,7 года (период ─ осень, зима и весна), если известен масштаб миграции ВОВ ─ 24 г/м²·год^-1 и мощность гор. А₁, равная 22 см.

Решение задачи № 18

Задача № 19

Исходя из величин k_моб кларка Fe (4,5%), а_х ─ сухого остатка (0,25 г/л) определить k_миг в таежном ландшафте, если k_моб = 0,005.

Решение задачи № 19

Задача № 20

Рассчитать коэффициент миграции k_миг для кремния и цинка в таежном ландшафте, если известны следующие параметры:

а) для кремния:

m_х ─ 1·10^-2 г/л (0,01 г/л), а_х ─ 0,5 г/л, n_х ─ 29,5%,

1) концентрация в жидкой фазе (г·л^-1),

2) сухой остаток (г·л^-1),

3) Кларк, валовое содержание (%).

б) для цинка:

m_х ─ 5·10^-5 г/л (0,0005 г/л),

а_х ─ 0,3 г/л,

n_х ─ 8,3·10^-3%

1), 2), 3) ─ то же.

Сделать вывод, во сколько раз один элемент мигрирует активнее другого в ландшафте.

Решение задачи № 20

Задача № 21

Организовав стационар, исследователи установили, что величина R_f комплексных [Cd-R]^- соединений в дерново-подзолистой почве составила 0,45, а скорость внутрипочвенной вертикальной нисходящей миграции водного потока ─ 27 см/год. Определить линейную скорость миграции ионов кадмия в почве.

Решение задачи № 21

Задача № 22

Определить линейную скорость миграции ионов Со²⁺ в дерново-подзолистой почве южно-таежного ландшафта, если известно, что величина R_f для ионов Со равна 0,45, а скорость внутрипочвенной миграции водного потока (u) ─ 17 см/год.

Решение задачи № 22

Задача № 23

Рассчитать годовой масштаб вертикальной нисходящей миграции ионов Pb²⁺ на 1 м², если известно что диагностированная масса ионов свинца в сорбционном лизиметре составляет 43,7 мг, а рабочая поверхность сорбционного лизиметра S_раб ─ 66,4 см².

Решение задачи № 23

Задача № 24

Определить сравнительную интенсивность водной миграции ионов Са²⁺ и Zn²⁺ в ландшафте, если известно, что Кларки данных химических элементов в коре выветривания соответственно равны 1,6 и 6·10^-3%, а концентрации ионов Са²⁺ и Zn²⁺ составляют 7·10^-2 и 3·10^-4 г/л, сухой остаток в поверхностных водах ─ 0,125 г/л.

Решение задачи № 24

Задача № 25

Рассчитать импульс абиогенной (водной) миграции С_орг ВОВ в гор. Е (А₂) песчаного подзола (в подзоне средней тайги), если известно, что масштаб миграции ВОВ на «входе» гор. Е (А₂) составляет 83 г/м², а на «выходе» ─ 77 г/м². Мощность элювиального горизонта ─ 26 см, время наблюдения ─ 0,7 года.

Решение задачи № 25

_______________

Экзаменационные вопросы по курсу МЭИ

БЛОК «Полевые методы экологических исследований»

1. Особенности картографических материалов, используемых при картировании почвенного покрова и ландшафтов.

2. Основные принципы ландшафтного дешифрирования.

3. Методика построения ландшафтного профиля.

4. Методика построения гипсометрического и геоморфологического профилей.

5. Основные принципы детального и крупномасштабного картирования почв.

6. Условные обозначения, используемые при подготовке легенды почвенно-агрохимической, ландшафтной и экологической карт.

7. Основные этапы почвенно-экологического картирования. Рекогносцировка.

8. Характеристика опорных, основных, картировочных, специальных и точек наблюдений при ландшафтной съемке.

9. Параметры оценки наземного растительного покрова. Метод экологических шкал.

10. Написать с помощью индексов морфологию подзола иллювиально-железистого песчаного, развитого на двучленах.

11. Написать с помощью индексов морфологию дерново-подзолистой супесчаной почвы, развитой на двучленах.

12. Краткая эколого-геохимическая характеристика почвообразующих пород таежной зоны.

13. Ключевой и маршрутный методы изучения почвенного покрова и ландшафта.

14. Типы и методы оценки почвенно-геохимических барьеров таежной зоны.

15. Методы оценки комплексных почвенно-геохимических барьеров: градиент барьера миграции.

16. Метод расчета времени обновления конституционных форм гумуса в дерново-подзолистой почве (использовать сведения о методе сорбционных лизиметров, а также собственные данные для расчета соответствующих величин).

17. Метод расчета параметра «интенсивность водной миграции химического элемента». Привести пример расчета величины P_x для Сорг ВОВ подзола песчаного.

18. Стационарный метод исследования почв и экосистем.

19. Методы оценки растительных континуумов: метод ординации и метод градиентного анализа.

20. Характеристика «бесплощадных» экологических методов исследования фаций.

21. Методы полигонов, плансект, укосов и фитомеров.

22. Дистанционные методы зондирования почвенного покрова и ландшафтов.

БЛОК «Специальные методы экологических исследований МЭИ»

23. Критерии оценки БИКа: зольность растений, биомасса, структура биомассы и т.д.

24. Методы учета первичной продукции экосистемы.

25. Методы оценки интенсивности трансформации в почве растительных остатков.

26. Методы учета корневых выделений растений.

27. Какие критерии характеризуют БИК?

28. Что такое период и скорость биогенного круговорота веществ?

29. Метод расчета k_нак и Пк.

30. Метод биоиндикации в таежных экосистемах.

31.Основные типы лизиметрических устройств; плоские лизиметры Шиловой.

32. Вакуумные лизиметры: конструкция, принцип действия и недостатки.

33. Лизиметр компенсационного типа.

34. Метод сорбционных лизиметров: конструкции, принцип действия, достоинства и недостатки.

35. Характеристика основных видов сорбентов, используемых в сорбционных лизиметрах.

36. Этапы подготовки сорбционных лизиметров к полевым опытам и методика их установки в профиль почвы.

37. Методы диагностики сорбированных поглотителями веществ и расчет параметров водной миграции химических элементов.

38. Приведите пример расчета величины масштаба миграции Сорг ВОВ в подзолистой почве: сорбент – активированный уголь.

39. Метод расчета ориентировочной массы мигранта из почвенного горизонта.

40. Метод оценки средней линейной скорости мигранта в почвенном горизонте.

41. Концепция «абиогенного поля» миграции веществ в ландшафте.

42. Методология изучения абиогенных потоков веществ в почвенном покрове.

43. Метод расчета коэффициента интенсивности водной миграции химического элемента в ландшафте.

44. Водобалансовые типы лизиметров: конструкции, принцип действия, достоинства и недостатки.

45. Для каких целей используют лизиметры-испарители ГГИ-500?

46. Схема тензиометра и принцип его действия.

47. Метод учета эвапотранспирации воды в экосистеме.

48. Назовите основные химические компоненты, определяющие состав и свойства лизиметрических вод тайги и степей.

49. Методология подготовки и стадии диагностики веществ лизиметрических вод, полученных с помощью «плоских» лизиметров.

50. Методы выделения групп веществ, различающихся по агрегатному состоянию и формам миграции - тонкодисперсные взвеси, коллоиды, ионы и молекулы сложных химических соединений.

51. Какие реагенты широко используются для экстракции, например тяжелых металлов, из лизиметрических вод?

52. Метод W. Forsyth : принцип, аналитическое оформление и применение. В чем особенности модификации данного метода И.М.Яшиным?

53. Для каких целей используется в сорбционных лизиметрах метод W.Forsyth в модификации И.М.Яшина?

54. Какие методы следует использовать при оценке форм миграции химических элементов в таежных ландшафтах?

55. Для оценки величин водной миграции химических элементов в почвах и ландшафтах используют следующие параметры: масштаб миграции (по Кауричеву), абиогенное «поле миграции» (по Яшину), коэффициент миграции (по Перельману). Объясните их сущность и правила расчета.

БЛОК «Лабораторные методы экологических исследований»

56. Методы экспериментального моделирования процессов почвообразования: оглеения, оподзоливания и лессиважа.

57. Моделирование сорбционно-десорбционных взаимодействий мобильных органических лигандов с гумусовыми соединениями почв тайги (с.367).

58. Экологические функции низкомолекулярных органических кислот в таежных экосистемах.

59. Унификация методов моделирования в ландшафтах (с.382-390).

60. Математическое моделирование процесса трансформации растительного опада в почвах.

61. Методы изучения продуктов деградации почв агроландшафтов (с.393).

62. Какую информацию можно получить с помощью ИК-спектроскопии при оценке гумусового состояния почв?

63. Прокомментируйте известные Вам экологические ситуации, в которых органические и минеральные кислоты оказывают деградационное воздействие на молекулярные структуры гумусовых веществ почвы.

64. Могут ли оказывать негативное воздействие на гумусовые вещества почвы водные растворы минеральных удобрений ( являющихся электролитами).

65. Назовите основные критерии диагностики гумусового состояния почв.

66. Методы диагностики коэффициентов гумификации и минерализации (биодеградации) органических веществ растительных остатков в почве (с.139).

67. Методы оценки баланса ВОВ в подзолистой почве (с.144-145).

68. Методы расчета и физический смысл коэффициента гумификации (с.149).

69. Экологическое значение процесса минерализации компонентов ВОВ для таежной биоты.

70. Методика оценки коэффициента мобилизации ВОВ из опада в раствор (с.154-157).

71. Объясните, каким методом можно оценить и рассчитать абсолютный масштаб миграции ВОВ с кислотными свойствами в подзолистых почвах тайги?

72. Охарактеризуйте основные гипотезы формирования молекулярных структур гумусовых соединений почв (с.135).

73. Какую роль играют процессы гумусообразования в почвах таежной зоны при трансформации продуктов антропогенеза - пыли, сажи, аэрозолей?

74. Аналитические методы оценки мигрантов и формы миграции веществ в ландшафтах (с.159-160).

75. Методы определения микроэлементов (с.164-165).

76. Методы определения тяжелых металлов (с.166-168).

77. Какую роль играют почвенно-геохимические барьеры в функционировании почв и ландшафтов?

78. С какими процессами связано формирование почвенно-геохимических барьеров?

79. Методы диализа, центрифугирования и вымораживания веществ лизиметрических вод.

80. Фотометрический метод анализа: принцип, достоинства и недостатки.

81. Метод атомно-абсорбционной спектроскопии: принцип, особенности и недостатки.

82. Сущность методов добавок, эталонной шкалы и градуировочного графика?

83. Виды хроматографического анализа: их оформление и применение в почвоведении и экологии.

84. Что такое коэффициент распределения веществ в хроматографической колонке?

85. Типы сорбентов, используемых в хроматографии.

86. Характеристика вытеснительного, элюентного и фронтального видов хроматографии.

87. Типы изотерм сорбции веществ на сорбентах: их математическая интерпретация, анализ и применение.

88. Метод потенциометрии в экологических исследованиях.

101. Методы поляриметрии.

89. Нефелометрический метод.

90. Флуоресцентный (люминесцентный) метод.

91. Методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

92. Метод электронной микроскопии агрономических объектов.

93. Метод калибровочного графика (112).

94. Точность, чувствительность и избирательность метода физико-химического анализа.

95. Стандартные образцы и типичные ошибки в химическом анализе (с.114).

96. Особенности математической обработки результатов химических анализов (с.118).

97. Классы точности аналитических методов анализа (с.121).

______________

Литература

1. Яшин И.М., Шишов Л.Л., Раскатов В.А. Почвенно-экологические исследования в ландшафтах. М.: МСХА.2000. 560 с.

2. Яшин И.М., Пузырев С.В., Мухин Е.В. Ландшафтоведение: лабораторный практикум. М.: МСХА. 2004. 70 с.

3. Яшин И.М., Пузырев С.В., Мухин Е.В. Основы ландшафтоведения. М.: МСХА. 2004. 212 с.

4. Грандберг И.И. Лабораторный практикум по органической химии. М.: Высшая школа. 1994.

5. Кауричев И.С., Яшин И.М., Черников В.А. Теория и практика метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях. М.: МСХА. 1996. 144 с.

6. Кауричев И.С., Яшин И.М., Кашанский А.Д. Применение метода лизиметрических хроматографических колонок в почвенных исследованиях// Методы стационарного изучения почв. М.: Наука. 1977.Том 2. С. 167-198.

7. Посыпайко В.И., Козырева Н.А., Логачева Ю.П. Химические методы анализа. М.: Высшая школа. 1989. 448 с.

8. Яшин И.М., Кауричев И.С., Черников В.А. Экологические аспекты гумусообразования// Известия ТСХА. 1996. Вып. 2. С. 110-129.

9. Роуэлл Д.Л. Почвоведение: методы и использование. Пер. с англ. М.: Колос. 1998. 486 с.

_____________

ПРИМЕРЫ

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И ОТВЕТЫ

Задача № 1

Градиент миграционного барьера равен соотношению разности величин мигрируемых масс ионов кадмия (на «входе» и «выходе» из барьера) к мощности самого барьера миграции, выраженного в метрах. Отсюда:

G = 10,9 мг/м³∙год^-1.

Ответ: 10,9 мг/м³∙год^-1 Cd²⁺.

Задача № 2

Коэффициент мобилизации k_моб равен отношению масс мигранта в жидкой и твердой фазах конкретного вещества. Следует помнить, если величину k_моб х 100 = массовая доля (%), что удобно в расчетах. Отсюда: 1) проводим пересчет: 0,004% – это 0,004 г/100 г.

2) находим k_моб = 0,02 мг/4 мг = 5,0∙10^-3 или 0,005, т.е. 0,5% в массовых долях.

Ответ: 0,005, или 0,5% (или 500 мг Pb²⁺/100 г Са, Мg(СО₃)₂).

Задача № 3

Массу PbCO₃ следует выразить на 100 г. Получим: 3,75 мг/100 г. Тогда: 0,032∙3,75 мг=0,12мг.

Ответ: 0,12 мг Pb²⁺/100 г мобилизуется в водный раствор из твердой фазы.

Задача № 4

Известно (Кауричев, Яшин, 1996), что коэффициент миграции k_миг = m_миг/А. Тогда для ионов Fe³⁺ получим k_миг: 326 мг/2700 мг = 0,12, а k_миг для кремния: 3108 мг/54000 мг = 0,06.

Ответ: ионы железа мигрируют в 2 раза активнее, чем ионы кремния.

Задача № 5

а) Математическое обоснование: 1. Величина Оп → к min, поэтому этой величиной можно пренебречь. 2. Тогда равенство Оп ∙ k_г = В ∙ k_мин превращается в неравенство: k_г < В ∙ k_мин. 3. Отсюда В (запас гумуса) зависит от соотношения величин k_г и k_мин, точнее k_мин гумуса. В оптимуме k_г = k_мин для гумусовых веществ.

б) Почвенно-экологическое обоснование. В почве остались лишь корневые остатки. Поэтому k_моб будет порядка 1/20 общей (исходя из массы корней) массы ВОВ. В этих условиях скорость и масштаб обновления гумуса компонентами ВОВ будут заметно меньше скорости минерализации самого гумуса. Запасы гумуса будут быстро уменьшаться, ВОВ выполняют функцию обновления гумусовых веществ. Но новообразованные массы ВОВ малы, чтобы пополнить запас ГС. В итоге – деградация гумуса.

Задача № 6.

Ответ: В этих условиях величиной В (запасы гумуса) можно пренебречь. Тогда вносимые при рекультивации органогенные субстраты будут трансформироваться в направлении: а) формирования групп ВОВ и б) как гумификации, так и минерализации ВОВ (при этом k_гум << k_мин). Накопление гумуса (и сорбция ВОВ почвой) будет весьма медленное. Для этой стадии характерно неравенство: k_мин>> Оп∙k_гум .

Задача № 7

Известно, что коэффициент накопления k_н химического элемента равен соотношению его масс в растении и твердой фазе почвы. Решение: 1. рассчитаем массу золы – 2г-100г, а х (грамм) в 120 граммах. Х=2,4г. 2.На долю кальция приходится 10% или 0,24 грамм.3. Исходя из Кларка кальция в литосфере (1.8 10^-3%) и массы кальция в растениях, найдем: k_н=0,24/0,0018=133.

Ответ: 133.

Задача №8

Показатель круговорота того или иного химического элемента равен произведению величин коэффициента накопления и скорости круговорота: П_к = k_н∙v_к = ... или П_к = k_н/Т_к. Причем скорость круговорота и период круговорота связаны зависимостью: Т_к = 1/v_к; отсюда период круговорота Т_к равен:

Т_к = 1 / 0,025 г/час = 40 час при «прокачке» 1 грамма ионов кобальта через свой организм.

Ответ: Т_к = 40 часов для ионов Со²⁺.

Задача № 9

П_к = k_н∙v_к = 13∙0,025 г/час = 0,33 г/час, или 7,92 г/сут С_орг и С_норг или 594 г/75 сут. за весь период вегетации оз. пшеницы.

Ответ: 594 г.

Задача №10

Коэффициент накопления k_н можно установить 2 способами:

а)расчетным путем по выражению: k_н = m_{х.э.раст}/m_{х.э.почвы} ;

б) опытным. Экспериментально найти k_н из выражения k_н = П_к∙Т_к = 0,33∙40 = 13,2; округленно 13. При биогенной миграции растения «прокачивают» намного больше химических элементов через свой организм, чем содержится в их биомассе. Ответ: k_н = 13.

Задача №11

Емкость круговорота химического элемента А в экосистеме можно рассчитать по формуле: А = П_к∙м∙Т_к∙k_н = 0,5 г/ч∙20 000 г/м². 4392 ч∙0,0018 г = 78,8 кг³/м² за 0,5 года, а за 1 год – 157,6 кг³, т.е. в 8 раз больше, чем содержится в биомассе фитоценоза. Размерность А: А = = г³/м². Предварительно следует перевести 20 кг в 20 000 г. 0,5 года в 4392 ч (24 ч х 183 сут) и учесть кларк кобальта в почве: 0,0018 г на 100 г почвы.

Ответ: А = 78,8 кг/м².

Задача №12

Ответ: 0,26.

Задача №13

Ответ: k_н = 12.

Задача № 14

Ответ: 50 лет.

Задача № 15

Ответ: k _обн = 0,095 или 9,5%.

Задача № 16

Ответ: 1. G =547,8 г/м³, коэффициент обновления k_обн=0,214 или 21,4%.

Задача №17

Ответ: масса фульвокислот (органических кислот и их солей) =1,536кг.

Задача №18

Импульс миграции J_m можно найти из произведения величин градиента барьера G и времени t. Градиент барьера находим по выражению: G =m₁- m₂/l = (36–12) г/м²/0,22 м = 109,1 г/м³. Определив G, разделим его значение на время (в частях): J_m = G/t = 109,1 г/м³ : 0,7 = 155,9 г/м³ за 0,7 года. Общая формула для расчета J_m такова: J_m = G/1∙t^-1. Обратите внимание на запись времени в единице измерения масштаба миграции: г/м²∙ год^-1. Это означает, что частное величин г/м² следует разделить на время в частях.

Ответ: 155,9 г/м³ за 0,7 года.

Задача №19

1. Находим концентрацию железа в растворе из соотношения: k_моб = м_ж/м_тв, тогда 0,05 = м_ж/4,5. Откуда м_ж = k_моб∙м_тв = 0,005∙4,5 = 0,0225 г. Здесь проценты выражены через массовую долю – г/100 г.

2. По формуле k_миг = (k_миг низкий).

3. Если k_миг < 1 – весьма низкая миграция; низкая до 10; средняя 10...50; 100 – высокая; > 100 – Cl, Br очень высокая.

Ответ: ~ 2.

Задача № 20

1. Коэффициент миграции рассчитываем по формуле А.И. Перельмана: k_миг Si = (для ионов кремния).

2. Коэффициент миграции ионов цинка: k_миг Zn²⁺ =

3. Следовательно, цинк мигрирует активнее кремния в 29 раз.

Ответ: в 29 раз.

4. Формы миграции Si и Zn весьма разнообразны и заметно отличаются. У кремния в зоне тайги, в частности, преобладает коллоидная форма миграции, диагностированы также Si – органическая и ионно-молекулярная. Si может мигрировать в виде тонкодисперсных взвесей под защитой компонентов ВОВ. Zn мигрирует как в форме Zn – органических соединений, так и в форме растворимых солей. Ионы Zn²⁺ могут сорбироваться коллоидами Si, Mn и в такой форме (под защитой ВОВ) мигрировать в ландшафтах.

Задача №21

Ответ: поскольку значение R_f известно, искомая величина находится как произведение R_f на скорость миграции носителя; скорость миграции кадмийорганических соединений составит - 12,2 см.

Задача №22

Ответ: 7,65 см.

Задача №23

Искомый параметр М можно найти из следующего соотношения:

43,7 мг – 66,4 см² (рабочая площадь сорбционных колонок)

х (М) – 10⁴ см² (расчетная площадь почвы – здесь 1м²);

отсюда х (М) = 6,58 мг/м², или 6,6 г/м²∙год^-1

Ответ: М = 6,6 г/м²∙год^-1.

Задача №24

Ответ: для ионов кальция J_m = 35, для ионов цинка – 53,3.

Задача №25

Ответ: J_m= 33г/м³.

_______________

[1] Работа выполняется при наличии стереоскопов и набора аэрофотоснимков (фотопланов с горизонталями).

* АФА – аэрофотоаппаратура. При дистанционном зондировании земной поверхности в нашей стране широко использовалась высокоточная аппаратура фирмы Карл Цейс Йена (Германия).

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ

По дисциплине

«Методы экологических исследований»

Москва 2012

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_____________

Факультет почвоведения, агрохимии и экологии

кафедра экологии

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ

По дисциплине

« Методы экологических исследований »

(для студентов, обучающихся по специальности «Агроэкология»)

Студент (ка) ____курса, ___группы

Ф.И.О._______________________

Преподаватель_____________

Издательство РГАУ-МСХА

Москва 2012

(ФИО составителей, ученая степень, ученое звание)

«18» января 2012 г.

Руководитель: И.М. Яшин – доктор биологических наук, профессор

(ФИО руководителя, ученая степень, ученое звание)

«18» января 2012 г.

Эксперт: В.И. Савич – дбн, профессор

(ФИО эксперта, ученая степень, ученое звание)

« 01» марта 2012 г.

Рабочая тетрадь по курсу МЭИ обсуждена на заседании кафедры экологии

«16» марта 2012 г., протокол № 3.

Зав. кафедрой экологии, профессор ___________________ И.И. Васенев

(подпись) (ФИО)

Согласовано:

Декан факультета ПАЭ, профессор: ____________________ В.Д. Наумов

(название факультета) (подпись) (ФИО декана)

«20» апреля 2012 г.

Председатель УМК

факультета ПАЭ, профессор _____________________ В.В. Кидин

(название факультета) (подпись) (ФИО)

«20» апреля 2012 г.

Оглавление

Стр.

Введение………………………………………………………………………........................…4

Часть 1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Полевые методы экологических исследований

ТЕМА 1. Ландшафтное дешифрирование аэрофотоснимков, анализ форм рельефа…………….…5

Обоснование задания (и справочный, теоретический материал)…………………………...…….…..6

Дешифрирование типов и форм рельефа, г растительности, почв…………………………...…….…..7

Дешифрирование почв и почвенного покрова………………………………………………………....….…...8

Дешифровочные признаки почв…………………………………………………………………………....…..…8

Цвет фотоизображения почвенного покрова………………………………………………………...…....…9

Текстура (рисунок фотоизображения) и ее классификация……………………………………...........…9

ТЕМА 2. Составление фрагмента ландшафтной (или ландшафтно-экологической) карты М 1:10000 или М 1:25000…..

Обоснование задания………………………………………………………………………….........….10

Описание компонентов ландшафтов………………………………………………………………...…..…...10

Оценка растительного покрова…………………………………………………………………….….……….12

Оценка почвенного покрова………………………………………………………………………………..........12

ТЕМА 3. Построение ландшафтно-экологического профиля (и краткая характеристика полевых методов экологических исследований)………………………………………………………….12

ТЕМА 4. Эколого-геохимическая характеристика основных типов ландшафтов………............….14

Обоснование задания…………………………………………………………………………………….…...….15

Часть 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Физико-химические (инструментальные) методы, используемые для оценки экологического состояния аграрных и иных ландшафтов.....................................................22

Лабораторная работа № 1. Природные и искусственные сорбенты - основа качества жизни-….23

Лабораторная работа № 2. Изучение влияния «кислотных дождей» на экосистемы и функции почв……………………………………………………………………………………………………….33

Лабораторная работа № 3. Оценка экологических функций мобильных гумусовых соединений в агроэкосистемах…………………………………………………………………………………………35

Задачи по МЭИ........................................................................................................................................42

Вопросы по курсу МЭИ для подготовки к экзаменам……………………………………………...56

Литература...............................................................................................................................................60

Решения задач и ответы............................................................................................................60

Введение

Рабочая тетрадь для лабораторно-практических работ по курсу «Методы экологических исследований» (МЭИ) подготовлена профессорами кафедры экологии И.М. Яшиным, И.И. Васеневым, доцентом Раскатовым В.А. и ассистентом Л.П. Когут. Курс МЭИ в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева преподается с 1994 года. Под редакцией И.М. Яшина в 2000 году вышло учебное пособие «Почвенно-экологические исследования в ландшафтах» на 560 страницах. Здесь сосредоточена базовая информация о методах экологических исследований. Рабочая тетрадь состоит из 2-х частей: первая включает 4 основные темы по полевым методам экологических исследований, которые выполняются студентами самостоятельно на аудиторных практических занятиях. Во второй части изучаются физико-химические методы. Они позволяют в серии простых лабораторных (химико-аналитических) работ оценить экологическое состояние некоторых нативных и аграрных ландшафтов.

Темы заданий объединяют информацию по основным разделам курса МЭИ, которая закрепляется на учебно-производственной (полевой) практике по сельскохозяйственной экологии в учхозах РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева: «Дружба» Ярославской области, имени М.И. Калинина Тамбовской области и «Муммовское» Саратовской области (согласно периодичности ознакомления с ландшафтами). Студенты на первом занятии получают рабочие тетради у педагога и самостоятельно приступают к изучению конкретной темы курса МЭИ.

Изучение материала в 1-й части курса позволит студентам овладеть методами ландшафтных исследований, навыками дешифрирования аэрофотоснимков, чтения топографических карт. Студенты научатся выделять на картографической основе – в камеральной и полевой обстановке – фации и урочища, объяснять ландшафтообразующие процессы, составлять макет ландшафтной карты и ландшафтно-экологического профиля, а также правильно описывать в специальном полевом дневнике растительность, почвы, рельеф, почвообразующие породы и водные источники. Каждый студент получает от преподавателя индивидуальное задание. По каждой теме защищается подготовленный материал (например, фрагмент экологической карты, экологическая катена применительно к ландшафту административного района Подмосковья). Студенты, не набравшие минимума баллов (в зависимости от числа выполненных ими работ), не допускаются к итоговому зачету (и экзамену.

Во 2-й части рабочей тетради представлены задания по выполнению лабораторных работ с использованием инструментальных методов физико-химического анализа, а также экологические задачи. Большое внимание уделяется диагностике в почвах, природных водах и кормах, в частности, ионов тяжелых металлов и иных экотоксикантов. Полученные сведения помогут студентам более эффективно решать задачи по экологическому нормированию, оценке качества агроэкосистем, трансформации и водной миграции веществ. Студенты приобретут не только навыки работы на приборах, но и более полно и точно оценивать экологическую ситуацию в реальных агроэкосистемах.

Методически рабочая тетрадь построена следующим образом: сначала излагается исходный материал задания, затем указывается порядок выполнения работы и требования к ее оформлению и защите. Практическая и лабораторная работы могут включать специальные расчетные экологические задачи, тесты, разделы по ГИС технологиям, а также контрольные вопросы и задания. Последние могут выдаваться студентам в качестве дополнения к рабочей тетради по курсу МЭИ.

ТЕМА 1

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 446; Нарушение авторского права страницы