Методы экологического мониторинга : большой специальный практикум

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

МЕТОДЫ 
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО 
МОНИТОРИНГА

Большой специальный практикум

Под общей редакцией Т. А. Радченко
2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки
06.03.01, 06.04.01 «Биология»,
05.03.06, 05.04.06 «Экология и природопользование»

© Уральский государственный университет, 2005
© Большаков В. Н., предисловие, 2005
© Уральский федеральный университет, 
с изменениями, 2019

А в т о р ы:
Э. Ф. Емлин, Г. А. Каллистов (разд. 1); Г. И. Махонина, О. А. Некрасова, 
В. В. Валдайских (разд. 2); Г. Ф. Некрасова (подразд. 3.1, работы 1–10); 
Н. Н. Лопухова (подразд. 3.1, работа 11); С. А. Шавнин, Д. Ю. Голиков (подразд. 3.2); Е. И. Филимонова (подразд. 3.3); В. Н. Позолотина (подразд. 3.4); 
Т. А. Радченко (подразд. 3.5); Л. А. Горланова, В. С. Мазепа, Р. М. Хантемиров 
(подразд. 3.6); М. А. Глазырина, Т. С. Чибрик (подразд. 3.7); И. А. Уткина (подразд. 3.8), А. А. Бетехтина (подразд. 3.8, 3.9); Н. В. Лукина, Д. В. Веселкин (подразд. 3.9); К. И. Бердюгин, В. Н. Большаков (разд. 4); Т. К. Стихина (разд. 5)

Р е ц е н з е н т ы:
лаборатория популяционной экологии и моделирования
Института экологии растений и животных УрО РАН
(заведующий лабораторией доктор биологических наук Г. В. Оленев);
А. П. Дьяченко, доктор биологических наук,
профессор кафедры биологии, экологии и методики их преподавания
Уральского государственного педагогического университета

УДК 502.2(07)
 
М545

Методы экологического мониторинга : Большой специальный 
практикум / [Э. Ф. Емлин и др.] ; под общ. ред. Т. А. Радченко ; 
М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. 
ун-т. — 2-е изд., испр. и доп. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2019. — 324 с.

ISBN 978-5-7996-2674-7

Практикум направлен на формирование у студентов навыков экспериментальной работы в области экологического мониторинга и изучения экосистем. 
Показаны методы и программы химических и биологических наблюдений 
и измерений, которые используются для оценки состояния окружающей среды 
и прогнозирования тенденций ее изменения. Практические задания предполагают широкое использование технических средств и вычислительной техники.
Для студентов, изучающих дисциплины в рамках модулей «Экология 
и эволюция биосферы», «Методы исследований в экологии», «Фундаментальная 
экология», «Методы экологического мониторинга».

М545

УДК 502.2(07)

ISBN 978-5-7996-2674-7

На обложке: фото авторов

В настоящее время экология — пример синтетического научного направления, использующего багаж многих наук, прежде всего 
естественно-научного цикла. Однако центральной идеей такой 
экологии остается идея о том, что экологические системы всегда 
включают в себя по крайне мере две составляющие — биотическую 
и абиотическую, при этом ведущая, активная роль (совершение 
работы по поддержанию стационарного состояния системы вдали 
от термодинамического равновесия за счет внешних источников 
энергии) принадлежит первой из них.
Значительная часть современных экологических исследований 
посвящена изучению воздействия деятельности человека на основные типы природных сообществ, а также исследованиям путей 
сохранения различных экосистем и ландшафтов, генофонда биоразнообразия. Итогом этих исследований является составление 
научно обоснованных прогнозов изменений биосферы и отдельных 
ее участков и разработка рекомендаций для природопользования, 
охраны окружающей среды и охраны природы, позволяющих сочетать материальное и духовное благополучие людей с нормальным 
функционированием экосистем.
В число первоочередных задач экологии входят не только наблюдения за воздействием загрязнений на структуру и функционирование наземных и пресноводных экосистем, но и разработка 
методологии мониторинга этого воздействия. Для решения данной 
задачи разрабатываются и совершенствуются программы химических и биологических наблюдений и измерений, которые могут 
быть использованы в системе мониторинга для оценки состояния 
окружающей среды и прогнозирования тенденций ее изменения. 
В связи с этим осуществляются три направления исследований:
1. Анализ процессов трансформации загрязняющих веществ 
в экосистемах и путей их переноса. В рамках данного направления 

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

проводится комплексное изучение важнейших загрязнителей, их 
миграций и трансформаций в экосистемах.
2. Исследование зависимости «доза — эффект» посредством 
полевых наблюдений и лабораторных экспериментов. Здесь особое 
внимание уделяется характеристике состояния экосистем в зависимости от концентрации накопленных в них загрязнителей. В связи 
с этим очень важными являются наблюдения за характером этих 
взаимосвязей на базовых и региональных станциях мониторинга, 
в центральной и буферной зонах заповедников, прежде всего биосферных. В последнем случае мы получаем возможность оценить 
реакцию живых организмов на воздействие фоновых уровней загрязнения природных сред.
3. Идентификация показателей изменений параметров экосистем, являющихся результатом загрязнения окружающей среды. Для 
этого направления основным является поиск биологических индикаторов состояния окружающей природной среды на клеточном, 
организменном, популяционном уровнях и на уровне экосистем.
Экологический мониторинг как система наблюдений, позволяющая выделить изменения состояния биосферы под влиянием 
человеческой деятельности и включающая в себя наблюдение, 
оценку и прогноз состояния природной среды, является необходимым условием организации управления ее качеством. Кроме того, 
организация системы мониторинга предполагает получение информации об исходном состоянии среды до наступления антропогенных 
изменений. Поскольку живые организмы наиболее комплексно отражают влияние неблагоприятных факторов на экосистемы, базовая 
информация поступает при биологическом мониторинге. Являясь 
частью экологического мониторинга, биологический мониторинг 
представляет собой систему слежения за ответной реакцией биоты, по существу, это мониторинг биоразнообразия и биоиндикация. 
Таким образом, хотя экологический мониторинг как процедура 
отслеживания понимается ныне очень широко, однако в первую 
очередь это биологические методы контроля состояния окружающей 
природной среды.
Методы экологического мониторинга и методы исследования 
экологии как науки находятся в постоянном развитии. Реализация 

государственных образовательных стандартов и учебных планов 
направления «Экология и природопользование» требуют формирования качественно нового специалиста, ориентированного 
на экологию как «мультидисциплинарное» направление. Объектами 
профессиональной деятельности эколога могут быть экосистемы, 
популяции и сообщества, модели экосистем, экологический мониторинг, управление в системе природопользования и охраны природы, 
контроль и прогноз загрязнений, а также мененджмент и маркетинг 
в экологии. Формирование такого специалиста — с новым типом 
научного мышления — должно базироваться на использовании прежде всего активных форм обучения, связанных с непосредственной 
работой с природными объектами. Практические рекомендации 
и теоретические обобщения по результатам экологических исследований на основе экспериментальных данных могут быть получены 
лишь при владении методикой и техникой эксперимента.
Представленный большой специальный практикум по экологическому мониторингу позволяет студентам приобрести навыки 
проведения эксперимента и анализа — от сбора первичных данных 
до обобщения полученного материала при изучении разных компонентов экосистем. Студенты обучаются выбору необходимой 
методики и четкой работе в соответствии с ней, постановке лабораторных опытов и алгоритму построения эмпирических обобщений, обработке и анализу результатов наблюдений, изложению, 
оформлению полученных результатов и составлению практических 
рекомендаций. На основе общих представлений и навыков, приобретенных на специальном лабораторном практикуме, студенты 
могут в дальнейшем самостоятельно осваивать методики и проводить любое исследование — эксперимент или наблюдение в области 
экологического мониторинга.

Академик РАН В. Н. Большаков

1. ÌÅÒÎÄÛ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß 
ÌÈÍÅÐÀËÜÍÎÉ ÑÎÑÒÀÂËßÞÙÅÉ ÊÎÐ 
ÂÛÂÅÒÐÈÂÀÍÈß È ÏÎ×Â

Освоение методик экспресс-анализа минеральной составляющей 
осадочных пород, почв и кор выветривания открывает широкие 
возможности исследования стадий и условий преобразования литогенной основы ландшафта и экзогенных геосистем в целом, в том 
числе и в случае антропогенных воздействий.
Лабораторные работы предусматривают знакомство студентов 
с основами минералогического анализа, способами определения 
и описания горных пород и продуктов их преобразования, освоение 
приемов работы с поляризационным петрографическим микроскопом с целью диагностики породообразующих, акцессорных 
и вторичных минералов, а также понимание процессов гипергенных 
изменений минералов и горных пород.

Работа 1
Петрографическое описание горных пород

Го р н ы е  п о р о д ы  представляют собой сочетание (агрегат) 
минералов естественного (природного) происхождения.
Каждой породе свойственно известное постоянство химического 
и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания 
в земной коре [Петрография и петрология...].
Породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (кварцит — из кварца SiO2, гипс — из одноименного 
минерала CaSO4 · 2H2O). Породы, в состав которых входят несколько 
минералов, называются полиминеральными (гранит состоит из кварца, полевых шпатов, слюд).
Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например, химический 

состав базальта: SiO2 — 49–52 %, А2О3 — 10–14 %, Fe2O3 — 4–14 %, 
СаО — 8–10 % и т. д.
По условиям образования (генезису) горные породы делятся 
на три типа:
1) магматические,
2) осадочные,
3) метаморфические (в том числе метасоматические).
Магматическими горными породами называют горные породы, 
которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее 
остывании в недрах Земли или на ее поверхности.
Магма (или лава) — это сложный силикатный расплав следующего состава: O2 — 46,7 %; Si — 27,7 %; Al — 8,1 %; Fe — 5,1 %; 
Ca — 3,6 %; Mg — 2,1 %; Na — 2,7 %; K — 2,6 %, другие элементы 
обычно не превышают в среднем 1,4 %. Температура магмы различна, но обычно 1000–1300 °С.
В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение 
и застывание (кристаллизация) магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся).
При застывании магма на значительной глубине охлаждается 
медленно, при этом происходит кристаллизация вещества с образованием крупнокристаллических интрузивных горных пород (гранит, 
сиенит, габбро, лабрадорит, дунит).
Эффузивные горные породы образовались из магмы, излившейся на поверхность земли, при этом магма остывала быстро 
с образованием мелкокристаллических пород (базальт, липарит, 
андезит).
В составе магматических пород основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В породах 
могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые 
и др.), которые возникают в процессе выветривания из первичных 
минералов.
Диагностика горной породы любого происхождения опирается 
на изучение ее структурно-текстурных признаков и вещественного 
состава. С т р у к т у р а  — особенности внутреннего строения породы, обусловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов.

В магматических породах различают следующие структуры:
1) полнокристаллическую (зернистую) — состоит из кристаллических зерен, типична для глубинных пород (гранит);
2) неполнокристаллическую (порфировую) — совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла (базальт);
3) стекловатую (аморфную) — преобладают нераскристаллизованные массы, типичные для излившихся пород (обсидиан — 
вулканическое стекло).
Среди кристаллических структур выделяют:
— крупнозернистые (размер зерен более 5 мм);
— среднезернистые (размер зерен от 2 до 5 мм);
— мелкозернистые (размер зерен менее 2 мм).
Если порода состоит из очень мелких зерен, неразличимых 
невооруженным глазом, ее структура называется афанитовой или 
скрытокристаллической.
Т е к с т у р а  характеризует пространственное расположение 
частей породы в ее объеме — «рисунок» породы.
Для магматических пород характерны следующие текстуры:
1) массивная — равномерное, плотное расположение минералов;
2) полосчатая — чередование в породе участков различного 
минерального состава или различной структуры;
3) шлаковая — порода, содержащая видимые глазом пустоты.
О с а д о ч н ы е  г о р н ы е  п о р о д ы  (рис. 1.1) образовались 
на поверхности Земли в результате накопления минеральных масс, 
образовавшихся в процессе разрушения горных пород (магматических, ранее существовавших осадочных, метаморфических). Процессы разрушения и накопления новых горных пород на поверхности 
Земли идут повсеместно: в пустынях, вдоль морских и океанических 
берегов, на дне морей и океанов, в речных долинах, горных областях.
В одних случаях образующиеся на поверхности Земли осадочные горные породы состоят из обломков ранее разрушенных горных 
пород, в других — из скопления органических остатков, в третьих — 
из кристаллических зерен, выпавших из раствора.
Совокупность геологических процессов, определяющих состав, 
строение, состояние и свойства осадочных горных пород, называется 
л и т о г е н е з о м.

Стадии литогенеза:
1) гипергенез — выветривание, разрушение кристаллических 
и других пород, образование новых минералов;
2) седиментогенез — перенос и отложение материала (отложение осадка);
3) диагенез — превращение осадка в осадочную породу (уплотнение, перекристаллизация осадка);
4) катагенез — начальное изменение осадочной породы;
5) метагенез — глубокие изменения осадочной породы, образование метаморфизованной осадочной породы.

 Рис. 1.1. Классификация осадочных горных пород по происхождению

Обломочные породы состоят из обломков разнообразных пород 
и минералов. Минеральный состав обломков, входящих в обломочные породы, различен и не является определяющим в наименовании этой подгруппы пород. Для них важно установить структуру, 
определяющуюся главным образом величиной и формой обломков, 
а также наличием цемента.
По составу цемент может быть:
— кремнистым,
— известковым,

Осадочные горные породы

Обломочные — 
образовались 
в результате 
механического 
накопления обломков 
ранее существовавших 
горных пород

Химические — 
образовались 
в результате 
выпаде ния осадков 
из растворов

Органогенные — 
образовались 
в результате 
жизнедеятельности 
организмов

Рыхлые
Сцементированные

Карбонатные породы
Сульфаты
Галоиды
Оксиды железа

Известняки, мел
Кремнистые сланцы
Каустобиолиты