Тема 1. Введение
Почва как биосферное образование, ее происхождение как естественно-исторического тела в процессе становления биосферы.
Почва как природное тело, ее строение, морфологические свойства, являющиеся отражением совокупности элементарных процессов почвообразования и внутреннего химико-биологического состояния. Разнообразие почв, модели их формирования (моногенетическая, полигенетическая, сингенетичная, турбационная и др.), связь свойств почв с условиями их формирования. Понятие о факторах и экологических условиях почвообразования.
Почва как система, взаимодействие компонентов, целостные свойства и способность к саморегуляции.
Учение о функциях почв – современный подход к оценке роли почв в биосферных процессах. Глобальные (литосферные, гидросферные, атмосферные и общебиосферные) и экосистемные функции почв, особенности функций, обеспечивающихся химическими и физико-химическими свойствами почв. Участие химического состояния почв и протекающих в них процессов в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом, а также в реализации информационной и меморатной функций почв. Основные методологические подходы и принципы изучения почвенных свойств и процессов. Экология и химия почв: взаимосвязь.
Тема 2 .Химия почв как раздел почвоведения и одна из наук, лежащих в основе охраны окружающей среды. Объект, предмет и методы химии почв. Задачи химии почв в рамках решения проблем охраны окружающей среды и природопользования. Химия почв как основа решения практических задач химической мелиорации почв, повышения плодородия и охраны почв от химического загрязнения.
Главные разделы химии почв: учение о химическом составе почв, учение о строении и свойствах почвенных компонентов, учение о свойствах почв, учение об охране почв.. Главные направления химии почв: химия почвенной массы, химия почвообразовательных процессов; химические основы плодородия почв; функции почв, контролируемые и/или обусловленные химическими свойствами почв и химическими реакциями, протекающими в почвах; аналитическая химия почв. Главные компоненты почв и участие их в процессах биосферы.
Химия почвенной массы как совокупность трех учений: учения о химическом составе почв (элементный и фазовый состав, состав твердых фаз, состав жидких фаз, состав газовой фазы), учения о строении и свойствах почвенных компонентов (простые соли; оксиды и гидроксиды; глинистые минералы; органическое вещество; органо-минеральные вещества) и учения о свойствах почвы (поглотительная способность, реакция среды, коллоидно-химические свойства; окислительно-восстановительные реакции и режимы; равновесие в системе фаз).
Химические особенности почв: полихимизм; гетерогенность и полидисперсность; непрерывность протекания органо-минеральных взаимодействий; динамичность почвенных процессов; пространственная неоднородность химической основы почв, отражающаяся на протекании химических процессов; неравновесность состояний и термодинамическая необратимость процессов
Раздел II Учение о химическом составе почв
Тема 3. Учение о химическом составе почв: элементный и фазовый состав почв. Понятие элементного состава почв. Интервалы содержания разных элементов в почвах. Основные группы элементов по абсолютному содержанию в почвах: макроэлементы, переходная группа элементов, микро- и ультрамикроэлементы. Элементы-биофилы, педоморфные (конституционные) элементы. Макроэлементы и их роль в формировании химического состава почв и их свойств. Микроэлементы и формы их соединений в почвах. Биогеохимические провинции. Функции микроэлементов в почвах и экосистемах. Понятие о рассеянных элементах. Распределение рассеянных элементов в педосфере.
Зависимость элементного состава почв от химического и минералогического состава почвообразующих пород. Отличие почв от среднего элементного состава литосферы.
Способы вычисления и представления элементного состава почв, информационная значимость процентного содержания оксидов и элементов, мольных долей, весовых и мольных отношений элементов и их оксидов. Особенности элементного состава органогенных и песчаных почв. Значение элементного состава в реализации почвами глобальных и экосистемных функций.
Почва как многофазная система. Твердые жидкие и газообразные фазы в почвах, их составляющие, взаимодействия и способность к саморегуляции. Фазовые равновесия в почвах. Роль отдельных фаз почвы в формировании глобальных и экосистемных функций почв.
Тема 5. Учение о химическом составе почв – твердые фазы почвы: минеральная часть и органическая часть.
Состав минеральной части твердой фазы почв, его зависимость от химического и минералогического состава почвообразующих пород. Типы горных пород, способность к выветриванию, условия, влияющие на скорость выветривания, механическое, биологическое и химическое выветривание, стадии химического выветривания. Первичные минералы и их состав. Кристаллические структуры породообразующих минералов. Координационное число. Вторичные минералы, их состав и свойства. Основные реакции, протекающие при образовании вторичных минералов: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление. Возможные стадии превращения первичных минералов во вторичные. Глинистые минералы почв, их состав и содержание в некоторых широко распространенных типах почвообразующих пород.
Минералогический и гранулометрический состав твердой фазы почвы. Минеральные новообразования в профиле почвы – пленки, землистые массы, корочки, кристаллы, конкреции.
Органическое вещество почв как составная часть твердой фазы почв.. Номенклатура и характеристика органического вещества почвы: органическое вещество, гумус, гуминовые кислоты, фульвокислоты, гиматомелановые кислоты, гумин, органо-минеральные соединения, специфические и неспецифические почвенные органические вещества. Соотношение специфических и неспецифических органических веществ в почвах. Вклад неспецифических органических соединений в пул почвенного органического вещества. Источники поступления органических веществ в почву. Роль органических веществ почв в глобальном цикле углерода, процессы фоссилизации. Трансформация органического материала, минерализация и гумификация. Содержание, запасы и распределение гумуса в основных типах почв, влияние на химические свойства твердой фазы почв и реализацию функций, контролируемых этой почвенной фазой. Экологическая обусловленность состава и структурных особенностей гуминовых кислот почв разных условий формирования.
Тема 5. Учение о химическом составе почв: жидкая и газовая фазы почвы. Жидкая фаза почвы: – почвенная вода, содержащая растворенные соли, органо-минеральные и органические соединения, газы, а также тончайшие коллоидные золи и представляющая собой почвенный раствор. Вода – особая физико-химическая активная система, обеспечивающая многие физические, физико-химические процессы, а также перемещение веществ в пространстве. Категории или формы почвенной воды (твердая или лед, химически связанная или кристаллогидратная, парообразная, физически связанная или сорбированная и свободная). Роль их в формировании жидкой фазы почв. Участие атмосферных осадков и грунтовых вод в формировании жидкой фазы почв. Методы выделения и изучения почвенного раствора. Состав почвенного раствора и факторы его определяющие. Растворимость солей и газов. Свободные ионы, ионные пары и ассоциаты. Активность ионов и солей в почвах. Ионная сила и коэффициенты активности ионов щелочных и щелочноземельных металлов в почвенных растворах различной степени минерализации. Прямое определение в почвах активности ионов с помощью ион-селективных электродов.
Газовая фаза почвы: почвенный воздух и его формы (свободный, защемленный, адсорбированные и растворенные газы). Состав газовой фазы почвы. Факторы, определяющие состав газовой фазы почвы. Методы анализа почвенной газовой фазы. Расчет количества адсорбированных газов. Уравнение Ленгмюра. Расчет количества растворенных газов. Уравнение Генри. Воздухообмен и условия его определяющие.
Макрогазы и микрогазы. Динамика газового состава почв (суточная, сезонная, годовая, многолетняя)
Раздел III. Учение о строении и свойствах почвенных компонентов
Тема 6. Учение о строении и свойствах почвенных компонентов. Простые соли, оксиды и гидроксиды; глинистые минералы; гумусовые вещества почв; органо–минеральные вещества.
Простые соли – вторичные минералы (кальцит CaCO3, магнезит – MgCO3 , доломит – Ca,Mg (CO3)2 , гипс –CaSO4×2H2O и др.); оксиды и гидроксиды железа, алюминия, кремния, щелочных и щелочноземеньных металлов. Соли в почвах. Солевой состав почв разных условий формирования. Участие простых веществ в функциях почв, обусловленных и контролируемых химическими свойствами.
Глинистые минералы. Выветривание и стабильность минералов. Глинистые минералы как наиболее тонкодисперсные и химически активные вещества почв. Причины высокой химической активности глинистых минералов в почвах. Строение кристаллических решеток, свойства и происхождение отдельных групп глинистых минералов, их в и реализации основных биосферных и экосистемных функций почвами , в том числе – почвенном плодородии,. Понятие изовалентного и гетеровалентного изоморфизма. Высокодисперсные минералы глин – гипергенные силикаты (каолинит, метагалуазит, гидрослюды, монтмориллонит, оксиды и гидроксиды железа, алюминия, рентеноаморфные вещества. Образование, трансформация, разрушение и перераспределение глинистых материалов в почвах. Состав глинистых минералов в некоторых широко распространенных типах почвообразующих пород и почв.
Органические вещества как почвенный компонент. Неспецифические органические вещества в почвах, их состав, строение и свойства. Гумусовые кислоты – особый класс органических соединений с переменным составом. Признаки идентификации гумусовых веществ, их элементный состав, компонентный состав и гипотетические формулы строения. Фундаментальные свойства гумусовых веществ: нестехиометричность элементного состава, нерегулярность структуры, гетерогенность структурных единиц, полидисперсность молекулярных масс. Основные вопросы, связанные с гумусом почв, не имеющие удовлетворительного объяснения с позиций существующей парадигмы.
Два направления в изучении гумусовых веществ почв: химическое (состав, структура и реакционная способность) и экологическое (связь с условиями формирования и функционирования и реализация функций). Химический состав и реакционная способность отдельных компонентов гумусовых веществ: гуминовых кислот, фульвокислот и гуминов. Новые подходы к изучению гумусовых веществ, рассматривающие ее как саморегулируемую супрамолекулярную систему биомолекул. Система гумусовых веществ как память почвенных процессов и условий их формирования.
Органо-минеральные вещества в почвах. Первоначальные взгляды на состав органо-минеральных соединений: соединения с одновалентными и двухвалентными катионами почвенного раствора или поверхности глинных минералов (гуматы натрия, калия, кальция и других элементов); соединения – продукты взаимодействия с водорастворимыми и коллоидальными формами полуторных окислов (несиликатными формами R2O3); продукты взаимодействия с глинными минералами. Система гумусовых веществ почв как диссипативная органо-минеральная система. Природа связей гумусовых веществ с минеральными компонентами: химические связи (валентные, невалентные и координационные ионная), межмолекулярные связи (поляризационная, индукционная, дисперсионная). Органо-минеральные соединения: простые гетерополярные соли, комплексно гетерополярные соли, сорбционные комплексы.
Раздел IV Учение о свойствах почв
Тема 7. Учение о свойствах почв: поглотительная способность, реакция среды, коллоидно-химические свойства, окислительно-восстановительные реакции и режимы, равновесие в системе фаз).
Коллоиды и коллоидно-химические свойства почв. Почвенные коллоиды: минеральные, органические и органо-минеральные. Факторы, от которых зависит состав и количество коллоидов в почвах. Свойства и строение мицеллы почвенных коллоидов. Коллоиды – базоиды, ацидоиды и амфолитоиды. Изоэлектрическая точка или изоэлектрический рН. Состояние почвенных коллоидов (гели и золи). Коагуляция, седиментация, пептизация. Ряд коагулирующей способности или лиотропный ряд. Гидрофильные и гидрофобные коллоиды в почвах.
Поглотительная способность почв. Понятие поглотительной способности почв. Виды поглотительной способности почв: механическая, физическая, химическая, физико-химическая и биологическая. Роль К.К. Гедройца в создании учения о поглотительной способности почв.
Почвенный поглощающий комплекс – носитель поглотительной способности почв. Основные характеристики почвенного поглощающего комплекса и его варьирование в связи с условиями почвообразования. Емкость поглощения или емкость катионного обмена (ЕКО). Зависимость ЕКО от содержания и состава минеральных и органических коллоидов. Пять стадий процесса обмена иона электролита с ионом сорбента. Эквивалентность обмена катионов между почвой и раствором. Скорость катионного обмена обмена и его связь с внутридиффузионными процессами. Степень насыщенности почв основаниями, принципы ее расчета и ее различие в разных типах почв. Экологическое значение поглотительной способности почв.
Реакция среды. Кислотность (актуальная и потенциальная, обменная, . гидролитическая) и щелочность (актуальная и потенциальная) почв, рН. Факторы, обусловливающие реакцию почв. Кислотно-основная характеристика почв. Буферность почв. Разные типы буферности. Буферность как один из механизмов саморегуляции почвы. Вклад минеральной и органической составляющих в буферность почв.
Окислительно-восстановительные реакции и процессы в почвах. Почва – сложная окислительно-восстановительная система. Характеристика частных окислительно-восстановительных систем. Окислительно-восстановительные равновесия в почвах. Компоненты почвы, способные к реакциям окисления-восстановления. Окислительно-восстановительный потенциал почв. Степени окисления минеральных, органических компонентов и гумусовых кислот. Роль кислорода, водорода, воды в создании окислительно-восстановительного потенциала почвы. Железо, азот, сера, медь, марганец, органические соединения и их состояние в почве в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстановительная емкость и буферность почв. Окислительно-восстановительное состояние почв разных условий формирования и функционирования. Роль ОВ процессов в почвообразовании и реализации почвами экологических функций.
Равновесие в системе фаз. Равновесие между твердой и жидкой фазами, между твердой и газообразной фазами, между жидкой и газообразной фазами. Роль буферности почв в регуляции равновесий в системе фаз. Устойчивость функционирования почв и равновесия в системе фаз.
Раздел V Учение об охране почв
Тема 8. Антропогенная деградация, химическое загрязнение и охрана почв. Виды деградации почв: водная и ветровая эрозия, засоление, подщелачивание, подкисление, заболачивание, физическое и химическое загрязнение. Загрязнение почв органическими токсикантами, неорганическими поллютантами (металлами и неметаллами). Источники поступления, формы существования, подвижность в почвенном слое, механизмы трансформации и поступления в растения загрязняющих веществ. Нарушение почвенных экологических функций при химическом загрязнении почв. Нормирование химических нагрузок на почвы. Виды нормирования: санитарно-гигиеническое, биогеохимическое, экологическое. Почвенно- химический экологический мониторинг: понятие, цели, задачи. Мониторинг источников загрязнения. Локальный, региональный, глобальный и фоновый мониторинг. Виды почвенно-химических показателей, информативных при экологическом мониторинге. Требования к методам определения почвенных показателей при проведении почвенно-химического экологического мониторинга. Роль почвенно-химического мониторинга при проведении экологической экспертизы. Рекультивация химически загрязненных почв.
5. Образовательные технологии
Виды/формы образовательных технологий.
Преподавание курса ведется в виде лекций. Начиная со второго занятия, в конце или начале проводится 15-минутное тестирование на усвоение материала предыдущей или текущей лекции, которое проводится в виде составления и обсуждения тестов, состоящих из вопроса и 4 ответов, один из которых правильный, или краткого ответа на один основной вопрос, или поиска соответствий термина и его определения («лото»).
Лекции ведутся в интерактивной форме, с проведением ролевых игр, решением ситуационных задач по ходу лекции, способствующих пониманию текущего и проверке усвоения предыдущего материалов.
Обратная связь с аудиторией обеспечивается тем, что лектор может оперативно влиять на ход лекции, отвечая на возникающие вопросы, совместно анализируя таблицы и схемы, позволяющие закрепить материал.
В случае возникновения у студента трудностей с усвоением лекционного материала предусмотрены также индивидуальные занятия во внеучебное время.
Стоит отметить, что преподаватель курса является действующим специалистом в области химии почв, заинтересованным в освоении студентами начальных основ этой дисциплины, а также вопросов, приближенных к практике научных исследований.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Формой текущего контроля при прохождении дисциплины «Химия почв» является контроль посещаемости занятий, сдача заданий по блиц-тестированию и домашних заданий, написание контрольных работ.
Для того, чтобы быть допущенным к дифференцированному зачету, студент должен выполнить следующее:
в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 50 % занятий;
сдать все задания по блиц-тестированию;
написать на положительные оценки контрольные работы.
В случае отсутствия на контрольной работе по уважительной причине (наличие медицинской справки) контрольную работу можно переписать в течение недели от окончания срока действия справки. Пропущенный студентом блиц-тест переписывается им во внеучебное время в индивидуальном порядке. В обоих случаях время и место обговаривается отдельно с преподавателем.
|
Тема
|
Контрольная работа № 1
|
Элементный и фазовый состав почв.
|
Контрольная работа № 2
|
Химические свойства и строение почвенных компонентов.
|
Контрольная работа № 3
|
Химические свойства и режимы почв, равновесие в системе фаз
|
Задания для блиц-тестов оцениваются следующим образом:
Самостоятельное составление трех тестов в течение 10 минут и правильные ответы на них или ответы на 5 предоставленных преподавателем тестов оцениваются на «отлично»;
– составление двух тестов и верные ответы на них или верные ответы на 4 предоставленных преподавателем теста оцениваются как «хорошо»;
–- составление одного теста и верные ответы на них или верные ответы на 3 предоставленные преподавателем теста оцениваются как «удовлетворительно»;
– в случае неправильных ответов ставится оценка «неудовлетворительно».
Всего в течение семестра студент должен сдать 12 заданий по блиц-тестированию, охватывающие материал такого же числа лекций.
Студент может получить бонусные баллы за быстрое, правильное и оригинальное решение задач «лото», т.е. нахождение соответствия термина и его определения.
В зависимости от работы в течение семестра студент имеет право на получение оценки без прохождения зачета (оценки-«автомата»). Для этого он должен:
в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 50 % занятий;
написать три контрольных работы на оценку не ниже «удовлетворительно»;
набрать по системе назначения баллов за результаты контрольных работ, блиц-тестирования и активность на занятиях не менее 60 % от максимально возможной суммы баллов.
Оценка-«автомат» выводится как средневзвешенная из полученных студентом баллов по результатам работы в семестре. Баллы складываются из оценок за блиц-тесты и контрольные работы (с весами 1 и 5 соответственно) и бонусов за активность на занятиях (полбалла). Максимальная сумма баллов – 100 и более; «отлично», «хорошо» и «удовлетворительно» соответствуют суммам 90, 80 и 60.
Итоговую оценку за семестр магистрант может получить на дифференцированном зачете в конце семестра, где он имеет возможность либо повысить оценку, полученную им «автоматом», либо получить любую положительную (или неудовлетворительную) оценку в случае отсутствия у него «оценки-автомата» по результатам работы в семестре.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины: при подготовке к лекциям и для самостоятельной работы магистранты могут использовать рекомендованные преподавателем литературные источники и Интернет-ресурсы, а также любую доступную справочную литературу, программное обеспечение и базы данных.
6.1. Основные рекомендованные источники:
Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв М.: Высшая школа, 2005 (или другое издание этого учебника)
Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учеб. пособие для студентов хим., хим.-технол. и биол. специальностей и направлений вузов, М.: Высшая школа 2002.
Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв: функции почв. М: МГУ, 2006
Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. М.: Академический проект, 2007 (главы 6, 9, 10).
Карпачевский Л.О. Экологическое почвоведение. М.:ГЕОС, 2005 (главы 9–17)
|
