Геохимия ландшафтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основы геохимии ландшафтов

Геохимические исследования основаны на изучении распределения, миграции и распространения элементов или их соединений в горных породах, водах, атмосфере, растительности и т.д. Они состоят из определения геохимического фона, выявления геохимических аномалий и сравнения их с фоновыми или с предельно допустимыми значениями. Как наука геохимия оформилась в начале ХХ века, одним из её основателей был русский учёный В. И. Вернадский, также большой вклад внёс А. Е. Ферсман. Методы геохимии ландшафтов активно использовались в 1960-е годы для поисков полезных ископаемых. Затем они стали применяться в медико-географических исследованиях, а в последние десятилетия - в решении проблем охраны окружающей среды. Геохимические аномалии и зоны загрязнения характеризуется величиной коэффициента концентрации Кс_i:

,

где С_i - концентрация загрязняющего вещества в почве, Сф_i - фоновая концентрация загрязняющего вещества, мг/кг почвы. Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчитывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:

,

где Кс_i - коэффициент концентрации элемента, n - число элементов сКс > 1. Величину суммарного показателя загрязнения почв используют для оценки уровня опасности загрязнения территории города. Значения суммарного показателя загрязнения до 16 соответствуют допустимому уровню опасности для здоровья населения; от 16 до 32 - умеренно опасному; от 32 до 128 - опасному; более 128 - чрезвычайно опасному.

2. Фоновый геохимический мониторинг природной среды

Для целей фонового геохимического мониторинга особенно адекватными являются методы геохимии ландшафта, обеспечивающие целостное геохимического изучение природных систем. Основными методами являются 1) метод кларков; 2) изучение геохимической структуры ландшафта; 3) метод биогеохимических циклов.

1. Метод кларков - исследования, связанные с оценкой распространённости химических элементов в различных природных средах - от глобальных геосфер до элементарных ландшафтов. Для исследований чаще всего применяют кларки литосферы, кларки гидросферы и кларки живого вещества. В последнем случае различают содержание элементов в расчёте на сырую (живую) массу, на массу сухого органического вещества и на золу, то есть на массу минерального вещества живых организмов.

2. Изучение геохимической структуры ландшафтов (ландшафтно-геохимический анализ). Фоновая геохимическая структура складывается из радиальной и латеральной структур, характеризующих соотвественно вертикальную и горизонтальную дифференциацию ландшафтов.

3.Изучение радиальной геохимической структурой. Первым этапом ландшафтно-геохимического анализа территрии является изучение геохимической дифференциации вертикального профиля различных элементарных ландшафтов, то есть изучение геохимических взаимодействий в системах почвы-горные породы, почва-воды, почва-растительность, растительность-атмосфера и т. д.

3. Использование методов геохимии ландшафтов для оценки состояния окружающей среды

Ландшафтно-геохимические методы используются на всех стадиях оценки состояния локальных и региональных природно-антропогенных геосистем.

Эколого-геохимическая оценка городской среды проводится в три этапа:

1. Оценка геохимического фона и природного потенциала города. На данном этапе изучаются геохимические характеристики фоновых (ненарушенных) участков, а также природные факторы загрязнения и самоочищения геосистем.

2. Инвентаризация техногенных источников загрязнения. Это определение количества техногенных источников, их мощности, количественного и качественного состава загрязняющих веществ.

3. Ландшафтно-геохимический анализ. Заключается в изучении конкретного распределения загрязняющих веществ в природных средах.

Для каждого компонента ландшафта, где происходит депонирование, - снега, почв, растений - применяются свои способы исследований:

А) Атмотехногенное загрязнение снежного покрова. Его изучение позволяет выявить два типа геохимических аномалий - локальные аномалии, довольно точно отражающие пространственную дифференциацию продуктов техногенеза, техногенную специализацию промышленных зон и отдельных источников, количественную характеристику выпадающих на поверхность земли веществ техногенного происхождения и региональные аномалии. Б) Биогеохимия городской среды. Биогеохимическая оценка включает определение уровней содержания тяжёлых металлов и других поллютантов в растениях города относительно регионального биогеохимического фона, выбор индикаторных видов и органов растений для опробования, выявление ареалов загрязнения растений вокруг промышленных и коммунальных источников. В) Загрязнение почвенного покрова. Его изучение фиксирует более статичные, чем в воздухе, снеге и растениях, очаги загрязнения. Г) Техногенные потоки в водах и донных отложениях. Определяются концентрации и элементный состав загрязнителей в канализационных промышленных и бытовых стоках, в каналах, отстойниках, других водоёмах. Д) Медико-геохимические исследования. Являются одним из заключительных этапов эколого-геохимических исследований и направлены на изучение влияния техногенных факторов на состояние здоровья населения.

4. Этапы развития и основные положения геофизического метода

Геофизика ландшафтов - наука о физических свойствах, процессах и пространственно-временной организации геосистем как функционально-целостных объектов. Главным подходом к исследованию функционирования геосистем является изучение трёх главных его звеньев - влагооборота, минерального обмена и энергооборота. Существует также ряд специальных направлений геофизики ландшафтов, изучающие отдельные физические аспекты функционирования геосистем. К ним можно отнести:

- оптику ландшафта - учение о взаимодействии солнечного излучения с геосистемами суши;

- радиофизическое направление, объектом изучения которой являются радиогеосистемы.

- локальные территориальные геосистемы с идентичной по всей своей протяжённости.

- направление, изучающее энергетику почвообразования и другие.

5. Метод балансов

Радиационный баланс (остаточная радиация) описывается уравнением:

R = Q (1 - A) - E_эф,

где R - радиационный баланс,

А - альбедо,

E_эф - эффективное длинноволновое (тепловое) излучение,

Q - суммарная радиация, которая слагается из прямой (I) и рассеянной (Q = I + S).

То есть радиационный баланс - это та часть поступающей в геосистему солнечной энергии, которая была усвоена геосистемой и включилась во внутригеосистемный и межгеосистемный круговорот.

Дальнейшее преобразование поглощённой солнечной энергии (R) описывается уравнениями теплового баланса:

R = L (E + T) + P_A + P + F ± A + B_Z - LC,

где L - скрытая теплота парообразования (? 0,06 ккал/см³),

E + T - суммарное испарение, где Е - физическое испарение, Т - транспирация растениями,

P_A - затраты тепла на турбулентный обмен с атмосферой,

Р - теплообмен в деятельный слой (растительный покров),

А - поток тепла в почву или из почвы,

F - затраты теплоты на фотосинтез,

B_Z - вынос тепла со стоком,

С - конденсация водяных паров.

Водный и вещественный балансы

Уравнение водного баланса геосистем имеет следующий вид:

Х₁ + Х₂ + r = S_n - S_b + E + T + B_x + U ± W ± g,

Где Х₁ - атмосферные осадки в жидкой фазе, Х₂ - атмосферные осадки в твёрдой фазе (снег); r - роса, S_b - поверхностный сток, S_n - внутрипочвенный сток, U - подземный сток, B_x - аккумуляция влаги в годовом приросте биомассы, W - накопление влаги в геосистеме, либо расход запасов, накопленных в предыдущий момент времени, Е - физическое испарение, Т - транспирация, g - фильтрационный поток поток воды из геосистемы и поток глубинных напорных вод.

Балансовое уравнение вещества в геосистеме:

M_x + M_p + M_t ± G = H_n + H_s+ H_u + H_p + H_r + H_g,

где M_x - приход вещества с атмосферными осадками; M_p - приход вещества с воздушными потоками (турбулентным теплообменом), M_t - приход вещества автохтонного происхождения, с современными тектоническими движениями, G - приход (вынос) вещества с подземными водами, H_n - вынос вещества с поверхностным стоком, H_s- вынос вещества со внутрипочвенным стоком, H_u - вынос вещества с подземным стоком, H_p - вынос вещества с воздушными потоками, H_r - вынос вещества с транспирацией, H_g - гравитационные (обвально-осыпные потоки).

6. Теоретические основы изучения динамики геосистем

Объект исследования ландшафтоведения - природные территориальные комплексы - представляют собой целостные пространственно-временные системы со сложным строением.

Динамика ПТК - это изменение ПТК, носящее обратимый характер, то есть периодические колебания показателей структуры и состава ПТК вокруг одного какого-то среднего значения.

Развитие ПТК - это более узкое понятие, чем динамика. Развитие - это направленные, закономерные и необратимые изменения в ПТК. К причинам развития ПТК относят внешние и внутренние. К внешним причинам относят основные источники поступления в ПТК вещества и энергии (энергия Солнца, атмосферная циркуляция, эндогенные потоки, соседние ПТК) Внутренние причины обусловлены наличием в ПТК компонентов с разными свойствами, что приводик к возникновению между ними потоков вещества и энергии.

Инвариант - это совокупность это совокупность устойчивых отличительных черт системы, придающих ей качественную определенность и специфичность, позволяющих отличить данную систему от всех остальных.

7. Методика выявления внутригодовых состояний ПТК

Каждое состояние ПТК характеризуется многими свойствами компонентов и различными процессами.

Таких свойств и процессов огромное количество и выявить их все не представляется возможным. Но поскольку большинство их обусловлено и контролируется наличием тепла (энергии) и влаги, то при характеристике состояния ПТК необходимо и достаточно изучить две эти составляющие.

Выявление внутрисуточных состояний ПТК. Для точного определения границ и свойств внутрисуточных состояний организовывают ежедневные и ежечасные наблюдения, в которых учитываются: температура и влажность воздуха, осадки, скорость ветра, облачность, атмосферные явления, температура почвы на поверхности и на глубинах .Все эти показатели затем наносят на график, отражающий сопряжённые изменения всех компонентов ПТК. Готовый график анализируется с целью выявления границ внутрисуточных состояний ПТК.

Выявление суточных состояний ПТК. Программа работ аналогична выявлению внутрисуточных состояний. Наиболее точно границы и свойства суточных состояний можно установить проделав такую же работу.

Если такая точность не нужна, то наблюдения по той же программе можно проводить не каждый час, а раз в 3 часа, при этом обязательно использование самописцев - термографов и гигрографов. Обрабатывается материал так же аналогично.

Выявление погодных состояний ПТК. При выявлении погодных состояний ПТК главными являются комплексные систематические наблюдения, которые проводятся на опорных точках за всеми компонентами ПТК. Одновременно используются данные о водно-воздушном режиме территории с ближайших к исследуемому ПТК метеоплощадок и метеостанций.

Выявление внутрисезонных и сезонных состояния ПТК. Внутрисезонные и сезонные состояния должны изучаться лишь в пределах одной фазы и подфазы развития для отделения вычленения изменений, вызванных именно сезонными причинами. Для того, чтобы выявить границы внутрисезонных и сезонных состояний и определить их свойства надо провести анализ погодных состояний на притяжении изучаемого и прилежащего и нему сезонов.

Выявление годовых состояния ПТК. Годовые состояния ПТК складываются из суммы сезонных состояний. Программа работа такая же, как при выявлении внутрисезонных и сезонных состояний.

Методика выявления многолетних состояний, смен ПТК. Диагностическими признаками полной (со сменой инварианта) и неполной смен ПТК, фаз и подфаз развития ПТК и их антропогенной изменённости служат различные свойства компонентов ПТК, главными из которых являются рельеф и отложения, тип и степень увлажнения, глубина залегания и особенности грунтовых вод, почвы и состав растительных сообществ. Анализ всего собранного материала для выявления многолетных состояний, смен и антропогенной изменённости проводится в следующей последовательности.

1. Установление последней полной смены ПТК. С этой целью выявляется

2. Установление последней неполной смены ПТК, фазы и подфазы его развития. геохимический аномалия загрязнение городской

3. Установление антропогенной изменённости ПТК.

Размещено на Allbest.ru