Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент кадровой политики и образования
Красноярский государственный аграрный университет

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Инструментальные методы исследований почв и растений

для специальности 35.04.04 –
Агрономия
Институт агроэкологических технологий
кафедра Почвоведения и агрохимии
курс 1-й семестр 1-й
Красноярск – 2016 г.

Программа разработана в соответствии с ФГОС ВО по направлению 35.04.04 - Агрономия и примерной учебной программы (общее земледелие и растениеводство)

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры почвоведения, 2016 г.

Составитель программы Белоусова Е. Н.

И.о. заведующий кафедрой Кураченко Н. Л.

Одобрена методической комиссией ИАЭТ Протокол № 1 2015/2016 уч. год

Председатель Коротченко И.С.

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

4. Содержание дисциплины

4.1. Тематический план

4.2. Лекционный курс

4.3. Практические, семинарские занятия

4.5. Самостоятельная работа студентов

5. Список рекомендуемой литературы для изучения дисциплины

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ,
ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Целью дисциплины «Инструментальные методы исследования почв и растений» является освоение студентами теоретических основ инструментальных методов исследования; научить студентов выбирать метод исследования, позволяющий с минимальными затратами времени и средств получать достоверную информацию об исследуемом объекте.

Задачи: ознакомить студентов с устройством приборов, возможностями и недостатками изучаемых методов; привить студентам навыки работы с современными приборами, обработки полученной информации и оценки ее достоверности.

В результате изучения дисциплины студент должен формировать следующие компетенции:

ОК-5 - способность использовать на практике умения и навыки в организа-ции исследовательских и проектных работ;

ОК-7 – способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов;

ПК-3 – способность самостоятельно организовать и провести научные исследования с использованием современных методов анализа почвенных и растительных образцов;

ПК-4 – готовность составлять практические рекомендации по использованию результатов научных исследований;

Знать: - сущность современных методов исследования почв и растений, их инструментальное обеспечение; устройство современных аналитических приборов; возможности и недостатки изучаемых методов; методику подготовки почвенных и растительных образцов для анализа.

Уметь: - выбирать метод исследования; осуществлять пробоподготовку; проводить агрохимические, биологические и агрофизические анализы образцов почв и растений.

Владеть: - профессионально эксплуатировать современное оборудование и приборы;

- методами оценки состояния агрофитоценозов и приемами коррекции технологий возделывания сельскохозяйственных культур в различных погодных условиях;

- способностью оценить пригодность земель для возделывания сельскохозяйственных культур с учетом производства качественной продукции.

в) перечень предшествующих дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины:

3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ
И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Модульный план

4.2. Лекционный курс.

Для данной дисциплине по новым образовательным стандартам лекционный курс не предусмотрен

Содержание модулей дисциплины

Модуль 1. «Общие сведения об инструментальных методах анализа почвенных и растительных образцов».

Модульная единица 1. Химический анализ почвенных и растительных проб. Понятия и показатели. Общее в инструментальных методах исследований. Основные технологические процессы в растениеводстве, требующие инструментального контро-ля. Особенности почвы и растений как объектов инструментального анализа. Физика, химия и биология среды обитания культурных растений.

Модульная единица 2. Классификация инструментальных методов исследования почв и растений. Подготовка образцов к анализу. Современные методы агрофизического, агрохимического и биологического исследования (анализа) почвы и растений. Подготовка к анализам. Особенности отбора проб. Технические средства отбора (отбор с регистраци-ей координат). Протокол отбора проб. Этикетирование, транспортировка, сушка, просеивание, размол, хранение. Электронные системы учета. Банки данных. Статистические методы обработки результатов. Лабораторные и экспрессные методы диагностики почвы и растений.

Модуль 2. «Спектральные методы анализа».

Модульная единица 1. Методы молекулярной спектрофотометрии. Принцип метода, порядок работы на фотоэлектроколориметре. Общее в аналитических методах исследований растений и почвы. Значение учета содержания воды в образцах и методы ее определения. Понятие об аналитических приборах. Типы аналитических приборов. Эмиссионный спектральный анализ. Сущность фотометрии. Использование пламенной фо-тометрии в агрономических исследованиях. Основные приборы. Достоинства и недостатки метода.

Модульная единица 2. Теоретические основы метода атомно-абсорбционной спектрометрии, устройство атомно-абсорбционных спектро-метров; возможности метода для анализа сельскохозяйственных объектов. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. Сущность метода, достоинство и недостатки с позиции агрономических исследований. Определение макро и микроэлементов в растениях и почве методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС). Краткая характеристика спек-трометра КВАНТ–Z.ЭТА («КОРТЭК»). Управление прибором, обработка ре-зультатов анализа, отображение и хранение информации.

Модульная единица 3. Источники излучения, используемые в атомно-эмиссионной спектрометрии, спектрометры для атомно-эмиссионной спектроскопии. Достоинства и недостатки методов. Теоретические основы метода атомно-эмиссионной спектрометрии, источники излучения, используемые в атомно-эмиссионной спектрометрии, спектрометры для атомно-эмиссионной спек-трометрии, возможности метода для анализа сельскохозяйственных объек-тов.

Модуль 3. «Электрохимические методы анализа»

Модульная единица 1. Теоретические основы электрохимических методов анализа. Принцип потенциометрических (ионометрических) и вольтамперометрических методов. Устройство ионометра, электроды, при-меняемые в потенциометрии. Электрохимические методы. Кондуктометрия и ее использование в точном земледелии. Потенциометрия. Сущность потенциометрии. Применение потенциометрических методов в агрономии: диагностике рН, ионов Ca, K, Cl, N03. Примеры электродов первого и второго рода. Вольтамперометрия, воз-можности электрохимических методов для анализа сельскохозяйственных объектов.

Модуль 4. «Хроматографические методы анализа».

Модульная единица 1. Теоретические основы хроматографии как метода разделения и определения химических веществ, газо-жидкостная хроматография, ионная хроматогра-фия, масс-спектрометрия. Значение и принцип метода. Определение хроматографии. Понятие о подвижной и неподвижной фазах. Классификация методов по агрегатному состоянию фаз, по механиз-му разделения, по технике выполнения. Способы получения хроматограмм (фронтальный, вытеснительный, элюентный). Основное уравнение хроматографии. Газовая хроматография: Газо-адсорбционная (га-зо-твердофазная) и газо-жидкостная. Сорбенты и носители, требования к ним. Механизм разделения. Схема газового хроматографа. Колонки. Ос-новные типы детекторов, их чувствительность и селективность. Области применения газовой хроматографии. Жидкостная хроматография. Виды жидкостной хроматографии. Преимущества высокоэффективной жидкост-ной хроматографии. Схема жидкостного хроматографа. Детекторы, их чувствительность и селективность. Ионообменная хроматография. Строе-ние и физико-химические свойства ионообменников. Области применения ионообменной хроматографии. Ионная хроматография как вариант высо-коэффективной ионообменной хроматографии. Особенности строения и свойства сорбентов для ионной хроматографии. Ионохроматографическое определение катионов и анионов. Общие принципы. Подвижные и не-подвижные фазы. Области применения. Методические требования к реали-зации методов и стандарты. Примеры интерпретации и типичные ошибки интерпретации. Методы исследования Примеры использования в экологиче-ском земледелии.

Модуль 5. «Методы исследования физических свойств почвы».

Модульная единица 1. Гранулометрический, микроагрегатный и структурный анализ почвы. Способы изображения. Использование агрофизической информации при управлении плодородием почвы. Уровни исследования и показатели. Методы исследований на ионно-молекурном уровне, уровне элементарных частиц, микро и - макроаг-регатов. Инструментальные методы определение базовых характеристик аг-рофизического состояния почвы. Методы определения плотности сложения, агрегатного состава, водопрочной структуры. Методы изучения гидрофизи-ческих свойств.Концептуальные основы методов. Методические требования к реализации методов. Примеры интерпретации и типичные ошибки интер-претации. Методы диагностики переуплотнения почвы. Определение физи-ко-механических свойств почвы.

Указывается количество часов на изучение тем при дневной форме обучения, через черту дроби – при заочной форме обучения. Использованные обозначения: Л – лекции, П – практические (семинарские) или лабораторные занятия, С – самостоятельная работа студентов; Литература – рекомендуемая литература (номер источника в соответствии с прилагаемым списком)

Примечание: В таблице названия разделов указываются в соответствии с обязательным минимумом содержания, изложенным в ГОС ВПО.

4.5. Самостоятельная работа студентов

В связи с отсутствием в учебном плане для дисциплины «Инструментальные методы исследования почв и растений» лекционных часов, основы теоретических знаний рас-сматриваются магистрантами самостоятельно. В первом модуле на самостоятельную ра-боту приходится 10 часов. Это время необходимо для подготовки к контрольной работе по теме «Общие сведения об инструментальных методах анализа почвенных и раститель-ных образцов». Кроме того студенты осваивают теоретические базовые понятия по мате-риалам модуля 1.Итогом работы над теоретическим материалом является составление мини-глоссария (15-20 терминов), определение основных понятий своими словами. По-следним этапом самостоятельной работы является составление исследовательской про-граммы по теме следующего лабораторного занятия «Спектрофотометрическое определение подвижных форм фосфора и содержание гумуса в почвенных образцах»: знакомство с методикой аналитических определений, их конспект, таблицы для система-тизации данных.

Первый этап самостоятельной работы в структуре второго модуля включает: выпол-нение расчетов аналитических данных «Спектрофотометрическое определение подвиж-ных форм фосфора и содержание гумуса в почвенных образцах», их статистическая обработка, обсуждение, написание выводов; работу над теоретическим материалом по те-ме «Теоретические основы метода атомно-абсорбционной, атомно-эмиссионной спек-трометрии». Итогом работы над теоретическим материалом является пополнение мини-глоссария (15-20 терминов) и определение основных понятий этого раздела своими сло-вами. По результатам выездной экскурсии магистранты оформляют отчет в форме эссе. Задание направлено на развитие метакогнитивных учебных стратегий – планирования и наблюдений. Далее, обучающиеся самостоятельно изучают материал по теме «Инфра-красная спектроскопия», дополняя список мини-глоссария и определений. Готовятся к лабораторному занятию: знакомятся с методикой определения: белка, жира, клетчатки, крахмала, золы в зерне и кормах методом инфракрасной спектрометрии, оформляют кон-спект методики и табличные материалы для систематизации аналитических данных. Са-мостоятельная работа во втором модуле завершается мини-конференцией. Магистрантам необходимо обобщить аналитические материалы и подготовить на их основе доклад – со-общение.

В третьем модуле на самостоятельную работу отводится 20 часов. Они используются для освоения теоретического раздела «Электрохимические методы анализа» по схеме: со-ставление мини- глоссария – определение понятий своими словами – научное исследова-ние; подготовки к лабораторному занятию «Определение массовой доли нитратов и хлоридов в почвенных и растительных образцах методом ионометрии» (конспект методи-ки, таблицы). Полученные аналитические материалы анализируют, дают интерпретацию и формулируют выводы. Изучение материалов этого модуля завершается подготовкой к коллоквиуму.

Следующий этап самостоятельной работы - теоретическая подготовка в выездной экскурсии на базе ФГУ «Красноярский референтный центр федеральной службы» по схеме изложенной ранее. Магистранты на основе теоретических данных составляют сис-тему вопросов для специалистов, проводящих мастер- класс. Итогом работы по модулю «Хроматографические методы анализа» является проверочная работа. Последний, пятый модуль посвящен самостоятельному изучению магистрантами агрофи-зических свойств почвы и методам их изучения по схеме: составление мини- глоссария – определение понятий своими словами – научное исследование. В лабораторных записях излагается методика определения внутриагрегатной порозности, табличные материалы. Завершающим этапом самостоятельной работы является подготовка к семинару в форме диалога. Для этого магистрантам необходимо разработать программу своей научно-исследовательской работы по следующему плану:

- тема исследования

- актуальность

- научная проблема

- рабочая гипотеза

- цель и задачи исследования

- набор показателей и методы, с помощью которых возможно их определение.

Далее приводятся контрольные вопросы для проведения текущего контроля и проме-жуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Модуль 1. Общие сведения об инструментальных методах анализа почвенных и растительных образцов

Перечень примерных вопросов для контрольной работы:

1. Раскрыть понятие о представительности почвенных проб, правилах подготовки об-разцов к анализу?
2. Этапы подготовки средней лабораторной пробы?
3. Принцип получения аналитической пробы для определения углерода и азота, опре-деления рН обменных катионов, легкорастворимых солей, для валового анализа почвы?
4. Особенности подготовки растительных проб к анализу?
5. Каковы основные области применения классических химических инструментальных методов количественного анализа? Каковы основные преимущества и недостатки класси-ческих химических и инструментальных методов количественного анализа?

Модуль 2. Спектральные методы анализа

6. На чем основаны спектральные методы анализа?
7. На какие группы и по каким принципам делятся спектральные методы, используе-мые в химическом анализе?
8. Для чего используют метод молекулярной спектрофотометрии в химическом анализе почв?
9. Каково устройство спектрофотометров для молекулярной спектрофотометрии? В чем отличие спектрофотометров и фотоколориметров?
10. Каковы правила работы на спектрофотометрах?
11. На чем основаны методы атомно-эмиссионной спектрофотометрии?
12. Какие варианты атомно-эмиссионной спектрофотометрии используются в химиче-ском анализе почв? Какие источники возбуждения атомов применяются в этих вариан-тах?
13. Для чего используется метод фотометрии пламени? Каковы его достоинства и недос-татки?
14. Каково устройство и правила работы на пламенном фотометре?
15. Каковы достоинства и недостатки атомно-эмиссионной спектрофотометрии?
16. Каково устройство плазменной горелки?
17. На чем основан метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии?
18. Каковы преимущества и недостатки метода атомно-абсорбционной спектрофотомет-рии по сравнению с методами атомно-эмиссионной спектрофотометрии?
19. Из чего состоит атомно-абсорбционный спектрофотометр? В чем отличие между од-нолучевыми и двухлучевыми приборами?

Модуль 3.Электрохимические методы анализа

Перечень примерных вопросов для коллоквиума:

20. На чем основаны электрохимические методы анализа? Какие электрохимические методы используют в химическом анализе почв?
21. Каковы достоинства и недостатки потенциометрических методов химического ана-лиза почв?
22. Какие электроды для потенциометрических измерений применяют в химическом анализе почв?
23. Как осуществляется калибровка иономера и выполнение измерений pH?
24. На чем основаны вольтамперометрические методы анализа?
25. Каковы достоинства и недостатки вольтамперометрических методов химического анализа почв?
26. Какие электроды для потенциометрических измерений применяют в химическом анализе почв?
27. Как осуществляется калибровка иономера и выполнение измерений pH?
28. На чем основаны вольтамперометрические методы анализа?
29. Каковы достоинства и недостатки вольтамперометрических методов химического анализа почв?

Модуль 4 Хроматографические методы анализа

Перечень примерных вопросов для контрольной работы:

30. На чем основан газохроматографический анализ?
31. Каково устройство газового хроматографа, основы метода?
32. Как осуществляется приготовление сорбентов и наполнение колонок?
33. Понятие о хроматографических колонках, их устройство?
34. Применение газовой хроматографии при исследовании газового режима почвы, его сущность
35. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов адсорбционной хро-матографии?
36. Какие требования предъявляются к адсорбентам и растворителям? Назовите наибо-лее распространенные растворители и адсорбенты в жидкостно-адсорбционной хромато-графии.
37. Какие способы применяют для определения эффективности хроматографических раз-делений?
38. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов газовой хроматогра-фии?
39. Какие требования предъявляются к жидкой фазе в газожидкостной хроматографии? Какие вещества используют в качестве жидкой фазы, в качестве твердого носителя?
40. В чем сущность качественного хроматографического анализа по величине удержи-ваемого объема?
41. В чем сущность методов количественного анализа: а) абсолютной калибровки; б) внутренней нормализации (нормировки); в) внутреннего стандарта?
42. В чем сущность ионообменной хроматографии?
43. В чем сущность распределительной хроматографии на бумаге? Дайте определение Rf.
44. На чем основан качественный анализ методами осадочной и распределительной хро-матографии на бумаге?
45. Приведите примеры аналитических определений методами осадочной и распредели-тельной хроматографии на бумаге, укажите основные способы измерений при количест-венных определениях.

Модуль 5 Методы исследования физических свойств почвы

Перечень примерных вопросов для коллоквиума:

46. В чем заключается сущность метода определения гранулометрического состава поч-вы?
47. Способы изображения данных гранулометрического состава почвы?
48. Сущность метода определения микроагрегатного состава почв по Н.А.Качинскому. В чем его отличие от метода определения гранулометрического состава почвы?
49. Понятие о факторе дисперсности почв и методы расчета коэффициента коагуляции
50. Сущность методов определения макроагрегатного состава почв. Понятие о коэффи-циенте структурности.
51. Сущность метода определения внутриагрегатной порозности почвы.

5. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методы почвенных и агрохимических исследований: учеб. пособие / Л.С.Шугалей, Т.Н.Демьяненко, Л.В.Мухортова; Краснояр. гос. аграр. ун-т.- Красноярск, 2006.- 2006.- 175 с.
2. Практикум по агрохимии /Б.А.Ягодин, И.П.Дерюгин, Ю.П.Жуков, В.А.Демин, А.В.Петербургский, В.В.Кидин, А.Ф.Слипчак, А.Н.Кулюкин, С.М.Саблина.; Под ред. Б.А.Ягодина. – М.: Агропромиздат, 1987.- 512 с.
3. Теория и практика химического анализа почв (Под редакцией Л.А.Воробьевой) – М.: ГЕОС, 2006.- 400 с.
4. Физико-химические методы в агрохимии и биологии почв: Учеб. по-собие.- СПб.: Изд-во С.- Петерб. ун-та, 2005.- 177с.
5. Основы аналитической химии. В двух книгах /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2004. 361, 503 с.
6. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. Т.1 и 2. М.: Мир, 1979. 480, 438 с.
7. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М.: Мир, 1989. 608 с.
8. Основы аналитической химии. Практическое руководство /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш.шк., 2001. 463 с.
9. Основы аналитической химии. Задачи и упражнения /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2002.
10. Гармаш А.В. Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. М.: ВХК РАН, 1995. 38 с.
11. Барбалат Ю.А., Гармаш А.В. Люминесцентный анализ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 66 с.
12. Барбалат Ю.А., Дорохова Е.Н., Гармаш А.В., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по спектроскопическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. 64 с.
13. Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по электрохимическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. 72 с.
14. Прохорова Г.В., Шведене Н.В. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть I. Электрохимические методы анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 87 с.
15. Шаповалова Е.Н., Шпигун О.А. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть II. Хроматографические методы анализа. Задачи и вопросы по хроматографическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 53 с.
16. Барбалат Ю.А., Гармаш А.В., Долманова И.Ф. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть III. Аналитическая абсорбционная молекулярная спектроскопия (фотометрические методы анализа) в УФ и видимой области. Кинетические методы анализа. М.: Изд-во МГУ., 1999. 72 с.