Эколого-геохимическая оценка состояния биосферы
Рязанский
государственный
П. А. Костычева
Кафедра
агроэкологии, с.- х. мелиорации и защиты
растений
Курсовая работа
По дисциплине
«Геохимия биосферы»
на тему:
«Эколого-геохимическая оценка
Выполнил:
Студентка 3 курса
Факультета Вет. Мед. и биотехнологий
32 группы
Ионочкина Н. С.
Проверил:
Ст. преподаватель
Хабарова
Т. В.
Рязань - 2010
Содержание
Введение
- Кларки концентрации и рассеяния….…………………………………7
- Химический состав земной коры…………………………………….10
- Элементный состав почвы……………………………………………14
- Коэффициент биологического поглощения………………………....19
- Суммарный показатель загрязнения почвы…………………………24
- Суммарный
показатель загрязнения снега. Временной
характер загрязнения…………………………………………………
………….29 - Оценка экологической
обстановки территории по геохимическим
показателям…………………………………………………
………....31 - Технофильность и деструктивная активность элементов………….33
- Вынос биогенных веществ в агроэкосистемах……………………...37
- Состав и строение атмосферы………………………………………..41
- Заключение……………………………………………………
……….48
12.Список литературы………………………………………………….
Введение в геохимию биосферы.
Биогеохимия – это наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределению масс химических элементов на Земле.
Геохимия
как самостоятельная наука
Предметом изучения геохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.
Основные понятия и представления.
Теоретическую основу геохимии составляют учения о живом веществе и биосфере.
При великом разнообразии размеров, морфологии, физиологии живых организмов, общим условием их существования является обмен веществ со средой обитания. Живые организмы составляют малую часть по сравнению с массой наружных оболочек Земли, но их суммарное действие оказывает огромную геохимическую работу для нормального существования их самих и других экосистем.
Существенное значение имеет геохимия метаболизма. Газообразные метаболиты, поступая в газовую оболочку, постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия природных вод, которые образуют верхнюю часть литосферы, извлекают из неё определенные химические элементы и вовлекают их в водную миграцию. В итоге газообразные метаболиты способствуют формированию химического состава мирового океана и осадочных горных пород.
Жизнь на планете Земля существует в виде непрерывного цикла на протяжении уже более 4 миллиардов лет. На протяжении всего этого периода организмы, как биотические, так и абиотические формы, непрерывно изменяли окружающую среду. Поэтому постоянно существующая планетарная совокупность организмов, с позиции геохимии, может рассматриваться как особая форма материи - живое вещество, играющее роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли. Основное и главное свойство живого вещества – постоянный и непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. Живое вещество немыслимо без биосферы.
Биосфера.
Впервые термин биосфера был введен австрийским биологом Э. Зюссом в 1875 году. Зюсс обозначил биосферу как среду обитания организмов. Вернадский разработал представления о биосфере как о наружной оболочке Земли, охваченной геохимической деятельностью живого вещества. В современном понимании, биосфера - не среда жизни, а глобальная система, где в неразрывной связи существует с одной стороны- инертное вещество в твердой ,жидкой, газовой фазах, а с другой стороны- разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляют собой единство живого вещества, и пронизанной им наружной части земного шара.
Биогеохимические процессы.
Ответственное место в биосфере занимают процессы взаимодействия между живым веществом и инертной материей Земли. Это взаимодействие происходит в результате массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Процессы массообмена характеризуют деятельность организмов. Благодаря им биосфера имеет и поддерживает определенную геохимическую организованность. Вернадский назвал эти процессы биогеохимическими.
С момента научного изучения организмов с окружающей средой было установлено, что процессы биогенного массообмена имеют циклический характер. В последние десятилетия показано, что жизненные циклы отдельных органов и их групп, сочетающихся с циклическими процессами, обусловленными геофизическими и космическими причинами. Цикл массообмена различной протяженности в пространстве и неодинаковой длительностью во времени, образуют динамическую систему биосферы. Неполная обратимость мигрирующих масс и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные пределы колебания концентрации мигрирующего элемента, к которому организмы могут адаптироваться, но в тоже время обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла.
Геохимия
очень тесно связана со многими
науками и отраслями
В сельском хозяйстве также многие заболевания сельхоз - культур и домашних животных связаны с дефицитом или избытком химических элементов.
Изучает
закономерность распределения химических
элементов в горных породах и
минералах геохимия изыскивает новые
источники сырья для
Отдельное место
следует выделить для геохимии и
проблемы окружающей среды. Добыча
полезных ископаемых, сжигание нефти,
газа, угля, экспорт, импорт, развитие земледелия
и животноводства оказывают сильное влияние
на миграцию химических элементов, что
возникает необходимость выделения особой
категории геохимических процессов -
техногенной миграции. В последние
годы изучения техногенной миграции приобретает
очень большое значение в связи с проблемой
предотвращения загрязнения окружающей
среды.
1.Кларки концентрации и рассеяния.
1.1
Кларки концентрации (КК) - показатель, введённый в 1937 г. В.И.Вернадским для количественной характеристики степени отличия содержания химического элемента в той или иной конкретной природной системе или её части от кларка литосферы. В качестве эталона используют кларки литосферы по Виноградову(1962),хотя в связи с постоянным уточнением среднее состояние земной коры можно использовать и данные других авторов.
Кларк концентрации - отношение содержания элемента в данной системе(горной породе, руде, почве, минералах)к его кларку в земной коре:
КК= 1 (а)
Эта величина всегда больше 0. Если КК = 1,то содержание элемента в объекте равно его содержанию в литосфере. Если КК меньше 1, то для большей точности показателя целесообразно использовать обратную величину –
кларк рассеяния(КР) - отношение кларка элемента в литосфере к его содержанию в данной системе:
КР = 1 (б)
Таким
образом, кларки концентрации и кларки
рассеяния – показатели, характеризующие
относительную
1.2
- Подсчет кларков концентрации и рассеяния для песчаных горных пород по формулам (а и б), где Ci – содержание в породах, К – кларк литосферы.
кк (V)= =0,2; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(V) =4,5;
кк(Cr)= =0,4; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Cr)= =2,3;
кк(Co)= =60; т.к КК больше 1, не рассчитываем КР: ─
кк(Ni)= =0,03; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Ni)= =29;
кк(Сu)= =0,02; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Cu)= =47;
кк(Zn)= =0,19; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Zn)= =5,2;
кк(As)= =0,59; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(As)= =1;
кк(Sr)= =0,06; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Sr)= =17;
кк(Zr)= =1,29; т.к КК больше 1, не рассчитываем КР: ─
кк (Мо)= =0,18; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Мо)= =5,5;
кк(Ва)= =0,01; т.к КК меньше 1, рассчитываем КР: кр(Ва)= =65;
кк(Pb)=
=0,44; т.к КК меньше 1, рассчитываем
КР: кр(Pb)=
=2,3;
- Ранжирование значений КК и КР для эталонного объекта. КК в порядке убывания, КР в порядке возрастания.
V Cr Co Ni Cu Zn As Sr Zr Mo Ba Pb
KK 60 1,29
As Cr/Pb V Zn Mo Sr Ni Cu Ba
КР 1 2,3 4,5 5,2 5,5 17 29 47 65
Вывод:
При
подсчете кларков концентрации и
рассеяния для песчаных
горных пород выяснилось, что элементы
Co и Zr имеют значения только Кларк концентрации,
потому что их величины больше одного.
2.Химический состав земной коры.
2.1
Земная кора – наиболее неоднородная оболочка Земли, сложенная различными породами. Земная кора – верхний слой твердого тела планеты, располагающегося выше сейсмической границы Мохоровича. Под материками её глубина достигает 70 километров, а под океанами – 10 км. Литосфера включает в земную кору и верхнюю мантию, до глубины порядка 200км. Три наружные оболочки земли тесно связаны между собой, эта связь обусловлена геохимической деятельностью живого вещества. В земной коре преобладает 8 химических элементов: О2 ,Si, Al, Fe, Mg, K, Ca, Na. Земная кора является резервуаром для основных химических элементов, которые вовлекаются в мигрирующие процессы под воздействием живого вещества. Концентрация и расположение химических элементов в земной коре оказывает сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества на Земле. После долгих исследований Вернадский установил «принцип всюдности», исходя из которого, химические элементы распределены повсюду, во всех оболочках Земли.
В 20 годы 20 века, у ученых различных стран сложилось общие представления о составе земной коры. Среднее значение относительного содержания химических элементов в земной коре и других системах стали называть – кларками. Анализ значения кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов в земной коре, в солнечной системе, и даже доступной для наблюдений части Вселенной. В земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками.
Более 80% массы Земной коры представлена силикатами Al, Fe, Ca, Mg и К, а 12% оксиды Si.
В земной коре присутствуют элементы двух групп: главные и рассеянные. Главные содержатся в относительно большем количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а рассеянные – с малыми кларками, преимущественно распылены, т.е. как бы рассеяны среди химических соединений других элементов. Существуют 2 основные формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:
- Микроминералогические формы.
- элементы, входящие в акцессорные минералы;
- элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
- элементы, находящиеся во включенных остаточных растворах.
- Неминералогические формы.
- элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
- элементы, входящие в структуру минерала носителя, по закону изоморфизма.
- элементы, находящиеся в структуре минерала носителя в неупорядоченном состоянии.
Для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов, не меньше минимальной, ниже которой реакция не возможна.
2.2
| Элемент | Массовый кларк % | Объемный кларк % |
| Кислород | 47,0 | 91,97 |
| Кремний | 29,5 | 0,89 |
Задача 1.
Рассчитать
мольное соотношение атомов кислорода
и кремния в земной коре.
Массовые кларки по А.П. Виноградову.
Объемные кларки по В. Гольдшмидту.
Количество молей атомов кислорода и кремния в 100 гр. земной коры определяется следующим выражением
n= ,
где n - количество молей; m - масса элемента в 100 гр. земной коры;
A - молекулярная масса атомов кислорода, г/ моль.
47% переводим в граммы =47 гр.
29,5% переводим в граммы =29,5 гр.
Рассчитываем молярную массу для кислорода и кремния, использую таблицу Менделеева.
О =16*2=32 гр./моль; Si=28 гр./моль.
n(О )= =1,5 моль n(Si)= =1,05 моль
Следовательно, соотношение атомов кислорода и кремния в земной коре 1:1.
2.3
Задача 2.
Определить содержание кислорода и железа в % (мас.) в магнетите FeFe O .
Массовое содержание
Wэ (%(мас.)) элемента в минерале, в
частности в магнетите определяется:
Wэ = * ,
мэ – общая масса элемента в молекуле,
Ммаг – молекулярная масса магнетита.
Значение Ммаг – определяется суммированием атомных масс всех составляющих данную молекулу элементов с учетом стехиометрических коэффициентов.
Ммаг = 56+(56*2)+(16*4)=232 моль.
Wэ = * %= =0,27%
Wэ
=
*
%=
=0,27=27%
Wэ
=
*
%=
=0,24=24%
Wэ = * %= =0,48=48%
Из сделанных расчетов получаются следующие отношения:
Fe : О =1:1
Fe : О =1:1
Вывод:
При расчете мольного соотношения атомов кислорода и кремния в земной коре установили это отношение равное 1:1.
При определении содержания кислорода и железа в магнетите FeFe O по формуле получились следующие отношения : Fe : О =1:1; Fe : О =1:1.
3. Элементный состав почвы.
3.1
Почва – природное тело, сформированное на поверхности Земли в течении длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов. Почва представляет собой многофазную полидисперсную систему. Она состоит из твердых частиц (твердая фаза), воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. Доля твердой фазы составляет приблизительно 40-65% объема почвенной массы, до 35% объема почвы занимает почвенный воздух, а объем почвенного раствора изменяется в широком диапазоне.
Чаще всего соотношение основных фаз почвы: Т: Ж: Г = 2: 1: 2.
Главное свойство почвы – неразрушимая связь входящих в нее живых и неживых компонентов.
Почвенный раствор – жидкая фаза почвы. Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незасоленных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких г/л. Самыми типичными компонентами раствора почвы являются катионы Са , Mg , K , NK , Na и анионы HCO , SO , NO и Cl , т.к их концентрации преобладают перед другими ионами. Когда влажность почвы меняется, то и концентрация некоторых ионов тоже меняется.
Почвенный воздух – содержит больше СО (от 0, до 2-3% ) , а О в воздухе верхнего слоя почвы имеется 20-21% .эти концентрации ниже, чем в атмосферном воздухе. Помимо основных двух компонентов в почвенном воздухе содержатся метан, сероводород, спирты, эфиры, углеводы и т.п.
Твердая фаза – состоит в основном из неорганических веществ (95%) и лишь малую часть (5%) составляют органические. Существуют «бедные» почвы, в них количество органических веществ равно 1%. Твердая фаза представляет собой полидисперсную систему, в которой присутствуют относительно крупные обломки, больше 0,01 мм и высокодисперсные частицы, размером менее 1 мкм. Разные компоненты различаются механическими и физико-химическими свойствами. Минеральная часть очень разнородна и помимо обломков минералов исходных горных пород, представлена также различными почвенно –гипергенными новообразованиями. Главная особенность в том, что среди различных компонентов есть живые организмы, так называемый почвенно – биотический комплекс - Микрофауна. Почва образуется и функционирует как система при жизнедеятельности различных групп организмов. Среди них есть организмы, осуществляющие фотосинтетическое продуцирование органического вещества: организмы, обеспечивающие разложение ежегодно отмирающих организмов и растений; организмы, производящие трансформацию продуктов до их полной минерализации с выделением углекислого газа и образованием органических соединений. Система межагрегированных пустот и пор способствует газообмену между почвой и приземным слоем ( тропосферой), выделению газообразных продуктов почвообразования, в первую очередь СО .
Почвы
по количественному и
- О и Si , т.к их содержание десятки процентов – макроэлементы.
- Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C содержание от десятых долей до нескольких процентов - макроэлементы.
- Ti, Mn, N, P, S, H десятые и сотые доли процента - переходная.
- Ва, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Co, Li, Mo, Cs, Se – микроэлементы.
Почвы различного
механического состава
Почва создает возможность для развития фотосинтетических организмов. Изначально почва покрывала всю сушу. Вернадским назвал ее педосферой. Образование педосферы и освоение мировой суши живым веществом повлекло за собой изменение его количества и структуры, также всей динамики, глобальных геохимических процессов, благодаря разнообразным взаимосвязанным биохимическим процессам, в почве стало осуществляться взаимодействие всех факторов ландшафтов. Это взаимодействие происходит путем непрерывной циклической миграции масс химическим элементов, распространяясь на всю поверхность мировой суши, педосфера приобрела значение главного звена и регулятора глобальных циклических процессов массообмена химических элементов Педосфера в равной мере связана массообменном элементов с земной корой, живым веществом и атмосферой. В педосфере происходит мобилизация химических элементов, вовлекаемых в водную миграцию, затем выносимых в океан. С поверхности педосферы захватывается мелкие почвенные частицы, формируются континентальные аэрозоли, частично выносимые за пределы суши. В тоже время на поверхность педосферы поступают атмосферные осадки, переносимые химические элементы, в том числе, выделяемые с поверхности океана, главное – в педосфере начинается и заканчивается круговорот химических элементов: педосфера – растительность мировой суши. Все процессы являются в основном биогеохимическими. Современные данные позволяют рассматривать педосферу как планетарный механизм, который регулирует биосферные циклы массообмена химических элементов.
Почвенные горизонты возникают в результате приноса, выноса, перераспределения и преобразования веществ. Почвенные горизонты существенно отличаются друг от друга по элементному и механическому составу. Совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые разделяется почва в процессе почвообразования, определяется как почвенный профиль. В почвенном профиле различают три главных горизонта: А – поверхностный гумусово-аккумулятивный, В – переходный к материнской породе, С – материнская горная порода, Д – подстилающая порода. Существует еще более подробное разделение почв: А - подзолистый, А - гумусово-аккумулятивный, А - подзолистый, А - пахотный; В - иллювиальный (переходный), делится на В , В , В , В - карбонатный. Выделяют переходные горизонты - А А , А В, В С.
Растворимые остатки микробиологической деятельности и гидротермические условия способствуют образованию гумуса почв. Состав почвенного гумуса непрерывно обновляется в результате разложения и синтеза его компонентов. В органическом веществе почве различают 3 главные группы:
- состав почти не различается или слабо разложившиеся остатки преимущественно растительного происхождения. Они образуют лесные подстилки, степной войлок - грубый гумус.
- остатки, образующие рыхлое, черное вещество, состоящее из измельченных и сильно измененных растительных остатков - мелких обрывков растительной ткани.
- состоит из специальных почв, органических образований, в них не обнаружены следы строения растительных тканей и составляют собственный гумус.
Эти формы почвенного органического вещества, образуются при хорошей аэрации. При длительном водонасыщении почвы деятельность мезофауны и аэробных микроорганизмов подавляются, а при образовании растительных остатков – замедляется . При таких условиях из остатков гидрофильных растений органическое вещество почвы, состоящее из торфяных компонентов, называется гумусом. Органическое вещество почвы состоит из слабоизменных остатков растений, продуктов их измельчения и преобразования мезофауной и микрофлорой почвы.
Гумус почв играет двойную роль: с одной стороны он поступает как источник азота и других элементов, необходимых для жизни растений. Поэтому он является важным фактором продуктивности фитоценозов и плодородия почв. С другой стороны-гумусовые кислоты и их производные активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере, поэтому гумусовые вещества являются важной частью регулирования мигрирующих потоков в педосфере.
3.2
Задача 1.
Почва содержит 5,4 г. органического вещества на 100г. абсолютно сухой почвы. Вычислите содержание органического вещества в граммах на 100г. воздушно-сухой почвы, если в воздушно-сухом состоянии она содержала 3г. Н2О на 100г. абсолютно сухой почвы.
1) 100г – 100%
5,4г - Х
Х= ,
2) 100г + 3г=103г
103г – 100%
Х г – 5,4%
Х= ,
Вывод: содержание органического вещества = 5,6г.