Мониторинг окружающей среды в экспедиции
методическая разработка по экологии (8 класс) по теме

Мониторинг окружающей среды в экспедиции

Методические рекомендации

Составитель: Куликова Г.Н.

Санкт-Петербург

2009

Методы мониторинга воздушной среды

Биоиндикация загрязнения воздуха по состоянию сосны

Считается, что в лесной полосе России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Поэтому сосна принята за «эталон биодиагностики».

Ключевые участки для мониторинга загрязнения атмосферы могут иметь различную площадь (но как правило большую, до 1 га) и выбираются  в однородном по видовому составу массиве леса.

1. Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои сосны здорова и не имеет повреждений и лишь малая часть хвоинок имеет светло-зеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны

Методика индикации чистоты воздуха по хвое сосны состоит в следующем. С нескольких боковых побегов в средней части кроны 5-10 деревьев сосны 15-20 летнем возрасте отбирают 200-300 пар хвоинок второго и третьего года жизни.

Анализ хвои проводится в лабораторных условиях. Вся хвоя делится на 3 части (неповрежденная хвоя, хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания) и подсчитывается количество хвоинок в каждой группе. Данные заносятся в рабочую таблицу с указанием даты отбора проб по каждому ключевому участку

Таблица №1

Полученные данные сравниваются с данными прошлых лет.   Делается вывод об изменениях в загрязнении атмосферы.

2. Определение загрязненности атмосферы по состоянию прироста деревьев сосны последних лет

Биоиндикатором загрязненности атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев сосны по высоте, который на загрязненных участках может быть на 20-60% ниже, чем на контрольных.

На ключевых участках следует осмотреть сосновый древостой возраста 10-15 лет. На участке выбрать направление с севера на юг, вдоль которого посчитать все деревья подряд, кроме тех, у которых поврежден главный побег. Чтобы измерения были более точными необходимо обследовать не менее 10 деревьев.

На каждом дереве измерить длину центрального побега между двумя верхними мутовками (то есть прирост последнего года), определить среднюю величину прироста. Полученные данные занести в бланк наблюдения.

3. Определение загрязненности атмосферы по продолжительности жизни хвои.

Информативной по техногенному загрязнению является продолжительность жизни хвои сосны (от 1 до 4-5 и более лет).

С целью определения продолжительности жизни хвои на каждом участке необходимо осмотреть 10-20 деревьев. Для удобства визуального осмотра выбираются невысокие деревья     в возрасте 10-15 лет, но можно обследовать боковые побеги и более старых деревьев, результаты осмотра заносят в таблицу

Таблица №2

Определение оценки загрязненности атмосферы по продолжительности жизни хвои (измеряемый показатель – количество деревьев)

Q* - определяется по формуле

     
                3В1+ 2В2+1В3

Q =   ----------------;

          В1+ В2+ В3

Чем выше Q, Тем выше продолжительность жизни хвои, а значит чище воздух.

Определение чистоты воздуха по лишайникам

Различают лишайники:

1. НАКИПНЫЕ (корковые), имеющие слоевище в виде тонкой (гладкой или зернистой, бугорчатой) корочки, очень плотно срастающейся с субстратом (корой, камнем, почвой), так что отделить лишайник, не повредив субстрата, невозможно;
2. ЛИСТОВЫЕ (листоватые), имеющие вид мелких чешуек или пластинок и прикрепленные пучками грибных гиф к субстрату, от которого они легко отделяются;
3. КУСТИСТЫЕ, имеющие вид мелких нитей или ветвящихся кустиков, прикрепленные к субстрату своим основанием.

Лишайники высокочувствительны к загрязнению среды обитания. На них избирательно действуют прежде всего вещества, увеличивающие кислотность среды (окислы серы и азота, фтористый и хлористый водород, озон). Для лишайников сравнительно безвредны тяжелые металлы, а так же искусственные и естественные радиоактивные изотопы.

Лихеноиндикация не даёт точных количественных сведений об уровне загрязнения воздуха, но возможна качественная оценка на основании эмпирическии установленных критериев, основанных на фактах наличия – отсутствия определенных типов лишайников, выделяют зоны с разной степенью загрязнения (смотри таблицу):

Таблица №3

В обследуемом районе (города)  изучают обрастание лишайниками стволов и ветвей деревьев, камней, стен домов и т.п. и по таблице определяют степень загрязнения воздуха.

Более чувствительны к кислотному загрязнению хвойные породы. Обычно в лесу выбирается сосна, на ней лишайники более уязвимы.

На каждом участке выбираются несколько деревьев 5-10, покрытых лишайниками, пробная площадка ограничивается на стволе рамкой 10×10 см, которая расчерчена на квадраты по 1 см2, отмечаются виды  лишайников на площадке, какой % общей площади рамки занимает каждый растущий там вид. На каждом дереве описывают минимум 2 площадки на высоте 1,4 с севера и с юга.

Как собирать лишайники:

Необходимое оборудование – карманная лупа с 7-10 кратным увеличением, бумажные пакеты или конверты, нож, полевой дневник, этикетки;

Важно собирать лишайники вместе с субстратом, так как этот признак часто используется при определении. Желательно иметь марлю или мягкую бумагу, чтобы проложить хрупкие талломы и предотвратить их разрушение.

В полевом дневнике описываются места сбора, в конверты вкладывается этикетка, где указывается район, территория сбора, условия местообитания, характеристика растительного сообщества, дата сбора фамилия корректора.

Следует избегать сбора слишком маленьких образцов, так как их будет сложно определять. Вместе с тем отношение к природе должно быть бережным. А значит нельзя собирать все имеющиеся лишайники. Нужно самостоятельно оценить какого размера взять образец, чтобы не нанести ущерба природной популяции.

Пакеты с образцами не рекомендуется спрессовывать. Лишайники следует высушивать с сохранением естественной формы таллома. Если лишайник собран во влажном состоянии, его следует высушивать на солнце или в теплом помещении, чтобы он не «загнил» и не покрылся гифами посторонних грибов

По коллекции лишайников можно определить видовое многообразие лишайников на обследованном участке.

Методы мониторинга

водных объектов

Вода, самое распространенное соединение в природе, не бывает абсолютно чистой. Природная вода содержит многочисленные растворенные вещества – соли, кислоты, щелочи, газы (углекислый газ, азот, кислород, сероводород), продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения

Свойства и качество воды зависят от состава и концентрации содержащихся в ней веществ. Наиболее чистая природная вода – дождевая, но и она содержит примеси и растворенные вещества.

Как изучать водоем

Наблюдения проводятся в природе, на берегу водоема.

Выбрать место и время отбора проб воды.

Следует оценить:

1. уровень воды и скорость течения;
2. температуру воды;
3. органолептические свойства воды: прозрачность, мутность, запах, цвет;
4. гидрохимические свойства воды: рН (водородный показатель)

Выбор места и времени отбора проб воды на водоеме.

Наиболее подходящим местом для отбора проб воды на реках и ручьях является стрежень (участок с наиболее сильным течением), это дает представление о свойствах основной массы воды. Лучше отбирать пробы в период паводка и межени, но для определения загрязнений возможен и одноразовый отбор проб воды.

1. Измерение глубины производится, как правило, до начала проведения работ. Если глубина не большая, то в  качестве прибора для определения глубины может быть использован гладкий шест, на котором имеется разметка глубин (отмечаются каждые 10 см), если водоем глубокий то промер проводится с плавсредства с использованием размеченной веревки с грузом. Результаты заносятся в бланк исследования.

Измерение скорости и направления потока воды в водоеме  определяются с помощью различного рода поплавков (деревянные или пенопластовые кружки диаметром 10 см) и компаса.  В водоеме определяются створы (места начала и окончания прохождения поплавков), вымеряется расстояние между створами, затем в воду бросаются поплавки и секундомером замеряется время прохождения поплавков от одного створа до другого. Направление определяется по компасу. Полученные данные заносятся в бланк исследования.

2. Измерение температуры воды и воздуха во время отбора проб является неотъемлемой частью анализа.

Температуру воздуха измеряют сухим термометром в тени, вне воздействия какого либо источника тепла, на высоте 1 м от поверхности земли. Температуру воды у поверхности измеряют водным термометром с ценой деления 0,1 – 0,5  градусов Цельсия. Термометр несколько раз ополаскивают, а затем  в течение 3-х минут выдерживают в воде (прямой солнечный свет следует затенить). Для большей точности операцию можно повторить несколько раз.

Если непосредственное измерение в водоеме произвести невозможно, то температуру измеряют в ведре или бутыли сразу после отбора пробы. Температура ведра или бутыли (ёмкостью не менее 1 л) перед отбором пробы должна быть приведена к температуре воды путем погружения в исследуемую воду, а при измерении она не должна подвергаться  воздействию каких либо источников тепла или действию прямого солнечного света.

Температура воздуха и воды приводится в градусах Цельсия, с округлением до цены деления термометра. Полученные данные заносятся в бланк исследования

3. Определение органолептических показателей качества воды

Прозрачность (мутность)

Проводится в светлое время суток!

Прозрачность воды зависит от нескольких факторов: количества взвешенных частиц: ила, глины, песка, микроорганизмов и содержания химических веществ.

Для измерения прозрачности используют белый диск - диск Секки (можно использовать белую эмалированную крышку диаметром 20см), с веревкой, размеченной через каждые 10 см. Его опускают с теневой стороны лодки. В момент, когда диск становится невидимым, делают отметку. Эта величина в метрах и является прозрачностью воды. В тех местах, где видно дно, отмечается прозрачность до дна. Для значений меньше 1 м результат приводят с точностью до 1 см, для значений больших чем 1 м - с точностью до 0,1 м.

Так же мутность можно определить визуально по  мутности столба высотой 10-12 см в мутномерной пробирке, рассматривая пробирку сверху на темном фоне при достаточном боковом освещении. Пробу  описывают качественно следующим образом:                                        

                                             Таблица №4

Полученные данные заносят в бланк исследования

Цвет (окраска)

Проводится в светлое время суток!

Чистые природные воды почти бесцветны, наличие окраски поверхностных вод обычно связано с присутствием гуминовых веществ и соединений железа. При загрязнении сточными водами можно наблюдать окраску не свойственную природным водам. Цвет вод, содержащих большое количество взвешенных веществ, определяется после отстаивания - определение проводят через 2 часа после отбора проб.

В емкость из бесцветного стекла с плоским дном наливают воду высотой 10 см, рассматривают сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. Результат описывают словесно с указанием оттенка и интенсивности окрашивания.

Таблица № 5

Полученные данные заносят в бланк исследования.

Запах

Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в неё естественным  путем  или со сточными водами.  В ёмкость 0,5 л  наливают примерно 250 мл воды при 20 градусах Цельсия, накрывают часовым стеклом, перемешивают вращательным движением, снимают часовое стекло и быстро определяют характер и интенсивность запаха.

Характер запаха описывают словесно. По характеру запахи делятся на две группы:

1. Запахи естественного происхождения (от живущих и отмерших  в воде организмов, от влияния почв и т.п.) Различают землистый, болотный, древесный, гнилостный, тухлый, травянистый, плесневый, торфяной,  ароматический (огуречный, цветочный) и т.п. запахи.
2. Запахи искусственного происхождения (от промышленных стоков, от обработки воды химическими реагентами и т.п.) Различают хлорфенольный, ацетоновый, спиртовой, уксусный, бензиновый, хлорный,  и т.п. запахи.

Таблица № 6

Интенсивность запаха определяют по 5-бальной сстеме

Полученные данные заносят в бланк исследования.

4. Водородный показатель рН

Величина рН водоемов хозяйственного, питьевого, культурно-бытового назначения регламентируется в пределах 6,5-8,5. В большинстве природных вод водородный показатель рН соответствует этому значению. Более низкие значения  рН могут наблюдаться в кислых болотных водах за счет повышенного содержания гуминовых кислот.  Летом при интенсивном фотосинтезе рН может повышаться  до 9.

В результате  происходящих в воде химических и биологических процессов         и потерь углекислоты рН воды может быстро изменяться, поэтому его следует определять сразу же после отбора пробы, желательно на водоеме.

рН определяется с помощью универсальной  индикаторной бумаги, кусочек бумаги опускается в исследуемую воду и ее окраска сравнивается со шкалой, напечатанной на упаковке.

Полученные данные заносят в бланк исследования.

5. Изучение прибрежно-водной растительности

Развитие водной растительности тесно связано с гидрологическими особенностями водоема, размерами котловины, химическим составом вод, характером и распределением донных отложений и рядом других факторов. Степень трофности водоемов дает полное представление об экологических условиях существования организмов. Классификация водоемов по трофности предусматривает 4 основные группы: олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные, дистрофные.

Водная растительность развивается главным образом в литорали и сублиторали, образуя сплошную или прерывистую полосу различной ширины вдоль брега, вокруг островов и мелей, реже покрывает все ложе водоема. Глубина распространения водных растений зависит от величины прозрачности воды, изменяясь от 2 до 4 м, а вредких случаях до 8 м.

Олиготрофные водоемы.

Отличаются большой глубиной, высокой прозрачностью (по диску Секки – до 4-20 м и более), присутствием кислорода во всей толще воды в течение всего года, слабовыражена литоральная зона. Донные отложения бедны органическим веществом. Жизнь водных растений  ограничена недостатком биогенных соединений и низкой температурой, недостаточной литоральной зоной.Низкоминерализованные водоемы имеют бедный видовой составприбрежно-водной растительности: общее число видов чаще всего не больше 10. К олигосапробным относятся:рдест блестящий, уруть очередноцветковая; к олиго-β-мезосапробным  - мох фонтиналис

Мезотрофные водоемы

Характеризуются промежуточным набором признаков между олиготрофными и эвтрофными. В них имеются донные отложения с детритным наилком. Как правило, такие водоемы глубиной 5-30 м и прозрачностью 1-4 м. Очень часто наблюдается дефицит кислорода в самых придонных слоях воды, наиболее он проявляется в зимнее время. Озера такого типа зарастают в среднем на 35%,  (часто на 60%) В растительном покрове высок процент  полупогруженной растительностью ( в основном тростником), богаче видовой состав флоры до 40-60 видов. Часто в больших количествах встречаются рдесты, роголистник, телорез. β-мезосапробными являются: элодея канадская, ряски, рдесты плавающий и гребенчатый, кубышка желтая, роголистник погруженный, водяной лютик; α – мезосапробный – рдест гребенчатый.

Эвтрофные водоемы

Характеризуются высокой биологической продуктивностью. Чаще это неглубокие водоемы с обильным поступлением биогенных веществ. В поверхностном слое хорошо освещенном и прогретом интенсивно развивается фитопланктон, который в летние месяцы может привести к «цветению» водоема. Прзрачность составляет 0,5 – 2 метра. Растворенный кислород имеется только в поверхностном слое  воды. В водоеме преобладают все экологические группы растений  - надводные, наводные и погружные.

Дистрофные водоемы

В северных районах лесотундры и лесной зоны располагаются озера, берега которых сложены из торфяных сфагновых мхов, вода слабо минерализована и богата гуминовыми веществами, за счет этого вода окрашена  в темные цвета. Прозрачность не превышает 2-4 метра, рН = 4-6,5.Водоемы богаты органическим веществом, однако деструктивные процессы протекают в них очень слабо. Такие водоемы  отличаются широким распространением зарослей прибрежной растительности и почти полным отсутствием настоящих гидрофитов (камыш лесной, ситник лягушачий, некоторые осоки).

Методы мониторинга почв.

Отбор почвенных образцов

Рекомендуется составлять объединенные (смешанные, средние) образцы почв. Почва на многолетней залежи отбирается  с глубины 0-10 см, на пашне с глубины 0-20 см, занятых лесом из лесной подстилки, на болотных почвах – верхний торфяной слой 0-20 см. На практике для отбора почвенных образцов часто используют метод конверта.

Рис. 1.Взятие почвенных образцов методом конверта.

 - точка отбора индивидуальных образцов.

Сущность метода состоит в том, что с обследуемого элементарного участка берут 5 образцов почвы. Причем точки отбора обозначены на рисунке 1 , длина стороны квадрата составляет 2-3 метра. Масса каждого образца должна составлять примерно 200-300 г. Смешанные образцы упаковывают, помещая в полиэтиленовые или полотняные мешочки, и снабжают этикетками с указанием места и даты взятия образца и его номера.

Дальнейший анализ почвы проводится в лабораторных условиях. Определяются: плодородие,  рН почвенной вытяжки.

Список литературы

1. Алексеев С.В., Беккер А.М. Изучаем экологию экспериментально. СПУПМ, СПб.: 1993,- 66с.
2. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами.- СПб.: «Крисмас+», 199 -232с.
3. Скворцов В.В., Станиславская Е.В., Тысячнюк М.С. Руководство по определению экологического состояния ручьев и рек. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 2000.-178 с.
4. Шапиро И.А. Лишайники: удивительные организмы и индикаторы состояния окружающей среды: Пособие для учителей и старшеклассников.- СПб.: «Крисмас+», 2003.-108с; ил.
5. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие / под ред. Т.Я. Ашихминой. -М.: АГАР, 2000 – 388с.