环境科学

来源：Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 - 德保罗大学

有多种方法可用于森林群落的取样，点中心四分法是其中之一。该方法用于收集森林中树种的密度、频度和盖度信息。这些信息可用于估算所遇到的个体树木数量、某种树木出现的频率、该树种相对于其他树种的普遍程度以及树木的大小。与传统的样地分析法相比，点中心四分法效率更高，这是其主要优势。在固定面积样地取样中，仅对森林总面积的一小部分进行调查。在这一小块样地内，通过逐棵计数并鉴定每株树木来直接确定密度。利用样地面积与整个森林面积的比例关系，推算出整个森林的树木密度。...

来源：玛格丽特·沃克曼和金伯利·弗莱实验室 - 德保罗大学 城市森林广泛包括城市公园、行道树、景观林荫大道、公共花园、河流与滨海步道、绿道、河流廊道、湿地、自然保护区、自然区域、防风林带，以及工业废弃地上的功能性树木。城市树木的历史始于将树木作为景观装饰。如今，城市树木被视为城市基础设施的重要组成部分，其对人类生活的重要性堪比食物、住房及其他公共设施。目前，城市树木因其提供的生态系统服务而受到重视（例如，防止水土流失、去除空气污染物、释放氧气、提供遮荫等）。然而，为了高效利用这些效益，树木必须生长至成熟阶段，因为叶片的数量和大小直接影响树木提供生态系统服务的能力。相较于林地树木，城市树木面临独特的需求与挑战，因此城市林业不得不发展出专属于自身的林业管理方法。 以下摘自美国农业部林业局的内容阐述了联邦政府对城市树木的视角与政策：

来源：德保罗大学 Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 美国消耗大量能源——目前的年消耗速率约为 97.5 万亿 BTU。其中绝大多数（90%）能源来自不可再生燃料资源。这些能源用于发电（39%）、交通运输（28%）、工业（22%）以及居民和商业用途（11%）。由于全球不可再生资源的供应有限，美国（以及其他国家）正在扩大可再生能源的使用，以满足未来的能源需求。氢就是这些能源之一。 氢被认为是一种潜在的可再生燃料来源，因为它满足许多重要标准：可在本国获取、污染物极少、能量效率高且易于利用。虽然氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上仅以化合物形式存在。例如，它与氧结合形成水（H2O）。要作为燃料使用，氢必须以 H2 气体的形式存在。因此，如果要将氢用作汽车或其他电子设备的燃料，必须首先制备 H2。正因为如此，氢常被称为“能源载体”而非“燃料”。

来源：Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 - 德保罗大学 在本实验中，纤维素类材料（如玉米秸秆、叶片、草类等）将被用作生产乙醇的原料。 首先对纤维素类材料进行预处理（研磨并加热），然后用酶进行消化，再通过酵母发酵。 使用乙醇探针监测乙醇的生成。 可通过改变所用原料、预处理条件、酶的种类、酵母的种类等因素，进一步拓展实验以优化乙醇产量。 另一种监测反应的方法是测量产生的二氧化碳（使用气体传感器），而非检测乙醇。 若无乙醇探针或二氧化碳气体传感器，也可采用低技术替代方案：使用任意药店可购得的葡萄糖检测仪，在过程中监测葡萄糖含量。 随着对“探究式学习”的重视程度不断提高，科学探针正变得越来越普及。 像Vernier...

来源：玛格丽特·沃克曼和金伯利·弗莱实验室 - 德保罗大学 由于人们对转基因食品在健康和环境安全方面的担忧存在争议，食品的基因改造一直是一个有争议的问题。本实验展示了如何对食品DNA进行基因鉴定的技术原理，有助于人们就转基因生物（GMOs）在食品供应中的安全性及潜在风险做出科学合理的判断。

来源：德保罗大学 Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 浊度和总固体是反映地表水清澈程度的相关指标。浊度是衡量水体透明度的间接指标，通过测定透射光量来评估。总固体则是通过称重法直接测定水中悬浮固体颗粒的含量。 浊度和总固体含量升高通常由土壤侵蚀、废水排放、径流或生态群落变化引起，后者包括藻类生长或底栖生物数量增加，这些生物可将沉积物搅动进入水体。浊度和悬浮固体含量升高会通过吸收热量导致水温上升，从而降低水中溶解氧水平（温度较高的水体溶解氧能力较低），进而影响水质。由于透入水中的阳光减少，这些条件还会导致光合作用减弱，使水体无法维持某些水生生物的生存。悬浮固体还可能堵塞鱼类鳃部、掩埋鱼卵、抑制生物生长速率，并破坏多种水生生物的微生境。

来源：玛格丽特·沃克曼和金伯利·弗莱实验室 - 德保罗大学 溶解氧（DO）测定用于计算溶解在地表水中的气态氧含量，这对于河流生态系统中所有需氧生物的生存至关重要，包括人类偏好的食用鱼类（例如蓝鳃太阳鱼和鲈鱼），以及在系统内生物地球化学物质循环中起关键作用的分解者物种。 湖泊、河流和海洋中溶解的氧气对其中生存的生物至关重要。当水体中溶解氧含量降至正常水平以下时，水质会受到损害，生物开始死亡。在一种称为富营养化的过程中，水体会变得缺氧，从而无法再支持生物生存，实质上成为“死亡区”。 富营养化是指过量的营养物质导致藻类种群迅速增长，形成藻华。藻华在水体表面形成致密的藻垫，阻隔了水中氧气的两个重要来源：大气中的气体交换，以及因藻垫下方光照不足而导致的水中光合作用。随着水体表层以下的溶解氧水平下降，需氧生物大量死亡，导致有机物含量增加。过量的有机物促使底栖区需氧分解者种群数量上升，这些分解者在代谢分解过程中进一步消耗剩余的溶解氧。一旦氧气水平降至如此低的程度，可移动的需氧生物（例如鱼类）便会逃离该区域，最终导致水体中不再有需氧生命存在，形成死亡区。

来源：德保罗大学 Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 氮和磷是水生生态系统中植物必需的营养元素，由于过量时会导致严重的水质问题，因此两者均作为水质检测的一部分进行监测。 水中的氮以硝酸盐（NO3-）这一常见形态进行测定，该形态溶解于水中，并可被藻类等光合生物迅速吸收。磷的常见测定形态为磷酸盐（PO43-），它既可吸附于沉积物颗粒，也可溶解于水中。当这两种营养物质过量时，会促进水生植物过度生长（藻华，图1），从而破坏水下光照、温度和氧气水平，导致富营养化和缺氧（水中溶解氧含量低），形成无生物活动的“死亡区”。硝酸盐和磷的来源包括污水处理厂、施用化肥的草坪和农田径流、失效的化粪池系统、动物粪便径流以及工业废水排放。 图1. 藻华

来源：玛格丽特·沃克曼和金伯利·弗莱实验室 - 德保罗大学 臭氧是氧元素的一种存在形式（O3），由三个氧原子结合而成，其分子结构具有强氧化性，化学反应活性很高。臭氧存在于大气的平流层和对流层中。当位于距地球表面约10至50公里的平流层时，臭氧分子形成臭氧层，有助于阻止有害的紫外线到达地球表面。而在较低海拔的对流层（地表至约17公里），臭氧对人体健康有害，被视为一种空气污染物，是光化学烟雾的成因之一（图1）。臭氧分子可通过吸入直接损害呼吸组织，或间接损害植物组织（图2）以及汽车轮胎等较柔软的材料。 地面臭氧是在对流层中形成的，当汽车尾气排放的氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）暴露于阳光下时，会发生光化学反应生成臭氧。因此，在阳光充足的条件下，或在汽车使用频率增加的时间和地点，臭氧浓度引发的健康问题会随之加剧。 反应：NO2 + VOC + 阳光 → O3（及其他产物） 室内对流层臭氧的形成是由于使用高电压的设备（例如 离子式空气净化器、激光打印机、复印机）产生电火花，使设备周围空气中的大气氧（O2）化学键断裂所致： O2 → 2 O

来源：德保罗大学 Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 在对流层中，臭氧是通过阳光分解二氧化氮（NO2）而自然形成的： NO2 + 阳光 → NO + O O + O2 → O3 臭氧（O3）可进一步与一氧化氮（NO）反应，生成二氧化氮（NO2）和氧气： NO + O3 → NO2 + O2 这导致臭氧（O3）无净增加。然而，由于人类通过化石燃料燃烧产生臭氧前体物（NO、NO2 和挥发性有机化合物），对流层中臭氧浓度已显著升高。机动车尾气是这些臭氧前体物（NO、NO2 和挥发性有机化合物，VOCs）的重要来源。例如，移动源几乎占 NO + NO2 排放量的60%。 在汽车燃烧室的高温条件下，空气中的氮气和氧气发生反应，生成一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）： N2(g) + O2 (g)→ 2 NO(g) 2 NO(g) + O2(g)→ 2 NO2(g)

来源：德保罗大学 Margaret Workman 与 Kimberly Frye 实验室 铅在土壤中天然存在，含量范围为10-50 ppm。然而，由于油漆和汽油中广泛使用铅，加之工业污染，城市土壤中的铅浓度通常显著高于背景水平，某些地区甚至高达10,000 ppm。由于铅不会生物降解，而是长期残留在土壤中，因此持续引发问题。 铅中毒会带来严重的健康风险，其中儿童尤其容易受到危害。美国有数百万儿童暴露于含铅的土壤中。这种暴露可能导致儿童出现发育和行为方面的问题，包括学习障碍、注意力不集中、生长迟缓以及脑损伤。美国环境保护局（EPA）对土壤中的铅含量设定了标准，规定游乐区为400 ppm，非游乐区为1,200 ppm。 当土壤用于园艺种植时，其中的铅也令人担忧。植物会从土壤中吸收铅，因此在受污染土壤中种植的蔬菜或草本植物可能导致铅中毒。此外，在园艺活动中可能吸入受污染的土壤颗粒，或通过衣物和鞋履将颗粒带入室内。建议铅含量超过400 ppm的土壤不应用于园艺种植。进一步建议铅含量在100至400...

来源：Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 - 德保罗大学 元素分析是一种用于测定材料元素组成的方法。在土壤等环境样品中，科学家特别关注两种生态学上重要元素——氮和碳的含量。采用闪光燃烧技术进行元素分析时，样品在高温燃烧室中通过催化剂被氧化。燃烧产物随后被还原为N2和CO2，并用热导检测器进行检测。 与其他总氮测定方法（凯氏定氮法）和总碳测定方法（瓦尔基-布莱克法、希恩斯法或利科法）不同，快速燃烧法不使用有毒化学试剂，因此使用起来更安全。 本视频将演示使用赛默飞世尔科技公司的 Flash EA 1112...

来源：德保罗大学 Margaret Workman 与 Kimberly Frye 实验室 在本实验中，通过化学方法提取三种土壤大量营养元素，将其与基于颜色反应的试剂混合，然后利用比色法分析以确定土壤样品中营养元素的浓度。

来源：德保罗大学 Margaret Workman 和 Kimberly Frye 实验室 利用芥末可直接从土壤深层采样Lumbricus terrestris蚯蚓种群，而无需破坏地表或使用有毒物质。随后可通过柱状图和学生t检验对蚯蚓数量进行数据统计与分析。 监测蚯蚓种群是环境科学家的一项关键技术，因为多种蚯蚓（尤其是来自正蚓亚目的种类）已入侵性地扩散至北美洲和南美洲。外来蚯蚓几乎遍布全球各个陆地和几乎所有生态系统，这些物种在何时何地成为入侵种群一直是国际环境研究的重点。1 生态入侵通常通过直接竞争、威胁或其他方式导致本地物种的局部灭绝，从而降低生态系统的生物多样性。作为生态系统工程师，入侵性蚯蚓物种通过改变土壤表层有机质的分解速率，影响养分循环过程，而植物根系正是在这些表层土壤中吸收养分。入侵性的Lumbricus物种不仅导致了本地蚯蚓物种的局部灭绝，还被证实会提高受侵土壤中氮的有效浓度以及氮的循环速率。2 在一个正反馈循环中，氮含量的加快积累反过来使生态系统更有利于适应高氮环境的外来植物物种，相较于本地植物物种，这些外来植物在被称为“入侵崩溃”（invasion...