利用Arduino探究種子萌發(fā)的最宜土壤濕度

張敬云 謝作如

學科關鍵詞：生物、物理、數(shù)學、技術

探究種子萌發(fā)的條件，是學生在科學課上要學習的內(nèi)容。實驗大都以豌豆或大麥種子為例，來探究溫度、濕度、氧氣等因素對種子萌發(fā)的影響。傳感器結合單片機，將使學生的實驗數(shù)據(jù)收集能力大大提高，很多傳統(tǒng)的實驗都可以重新設計，以期取得更好的探究效果。這次，我們利用Arduino來“探究種子萌發(fā)的最宜土壤濕度”。

● 實驗方案設計

首先，我們選擇了適合當前季節(jié)播種且成活率較高的雛菊種子作為實驗種子。根據(jù)探究目的，我們將本實驗的探究問題描述為“土壤濕度在什么范圍之內(nèi)，雛菊種子萌發(fā)最快、萌發(fā)率最高”。通過查找資料我們發(fā)現(xiàn)，雛菊喜冷涼氣候，忌炎熱，不能忍受嚴重干旱或長期的水澇，需要在濕潤的土壤中生長。依據(jù)雛菊的這些生長習性，我們可形成這樣的假設，即“土壤濕度在80%～90%的范圍之內(nèi)，雛菊種子萌發(fā)最快、萌發(fā)率最高”。從中我們可清楚地知道自變量是土壤濕度，因變量是雛菊種子萌發(fā)的快慢和萌發(fā)率。這里“萌發(fā)”是以看到種子破土而出為準；“種子萌發(fā)快慢”是指每天不同土壤濕度種子的萌發(fā)數(shù)量，數(shù)量多則萌發(fā)快，數(shù)量少則萌發(fā)慢；“萌發(fā)率”是指種子的萌發(fā)總數(shù)與種子播種總數(shù)的比值。

基于以上內(nèi)容，我們設計了4組實驗。通過土壤濕度傳感器對土壤濕度進行檢測，其檢測數(shù)據(jù)可通過串口輸出顯示，但為了在實驗過程中能夠脫離計算機，我們選擇了一種更方便的方式——顯示屏來顯示數(shù)據(jù)，并加入蜂鳴器的設計，能夠時刻提醒我們土壤濕度是否在我們所設定的范圍之內(nèi)，其具體實驗操作如下：

①將4個紙杯（可用生活中常見的東西，如紙杯、塑料瓶等代替花盆）裝入土壤（土壤量以紙杯容量的三分之二為宜）并做標記，分別為1號、2號、3號、4號。

②分別給土壤澆水，保證1號紙杯土壤濕度為60%～70%，2號紙杯土壤濕度為70%～80%，3號紙杯土壤濕度為80%～90%（假設的最宜土壤濕度），4號紙杯土壤濕度為90%～100%。

③將等量的雛菊種子（12粒）分別種到不同土壤濕度的4個紙杯中。

④將土壤濕度傳感器分別插入播有種子的紙杯土壤中，并放到溫度、空氣流通、光照等條件都相同的環(huán)境中。

⑤每天檢測土壤濕度，確定其保持在設定的范圍內(nèi)，同時觀察種子的萌發(fā)數(shù)量，將數(shù)據(jù)記在記錄表中。

⑥根據(jù)數(shù)據(jù)，計算不同土壤濕度種子的萌發(fā)率，并畫出不同土壤濕度中種子萌發(fā)情況的圖像，從而得出實驗結論。

綜上所述，本實驗所需用到的器材均來自上海DFRobot公司，器材清單和說明如下頁表1所示，實物圖如下頁圖1所示。

● 程序編寫

程序編寫最主要的部分是土壤濕度的檢測。需注意的是，由于產(chǎn)品本身的問題，即使同一廠家的土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度值也可能有差異。使用前，最好先將其插入水中或澆透的土壤中測一下它能輸出的最大值，以保證檢測土壤濕度的準確性。經(jīng)過檢測，本實驗使用的土壤濕度傳感器輸出的最大值分別為805、800、760、790，而我們通常是用百分數(shù)來計量土壤濕度值，因此可利用映射模塊實現(xiàn)這一數(shù)值的轉換。具體程序如圖2、圖3所示。

● 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過一周的種子萌發(fā)培養(yǎng)，我們得到的種子萌發(fā)情況如下頁圖4所示，數(shù)據(jù)記錄及萌發(fā)率如下頁表2所示，將記錄的數(shù)據(jù)轉錄到Excel中生成圖表如下頁圖5所示。

從圖5可看出，土壤濕度為80%～90%的3號杯和土壤濕度為90%～100%的4號杯中的種子明顯比其他杯中的種子萌發(fā)快，且萌發(fā)率高。而4號杯中種子最先萌發(fā)且在第5天之前都要比3號杯中種子萌發(fā)快，但第5天之后，3號杯中種子萌發(fā)開始比4號杯中種子萌發(fā)快，并且最終3號杯中種子萌發(fā)率高于4號杯，但差距不大，難分伯仲。我們可綜合80%～90%和90%～100%的土壤濕度范圍，認為土壤濕度在80%～100%時，雛菊種子萌發(fā)最快、萌發(fā)率最高。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，為了獲得準確的實驗結果，需要注意以下內(nèi)容：

①澆水時，要慢且均勻，避免超過設定的土壤濕度。

②種子不要埋得太深，太深不易萌發(fā)；也不要埋得太淺，由于表層土壤容易干燥，太淺吸收不到水分也不易萌發(fā)。

③檢測土壤濕度時，將土壤濕度傳感器插到?jīng)]有播種的土壤中間，切勿插到播有種子的邊緣土壤，以免誤傷種子。

● 知識拓展

測量土壤濕度的方法有很多種，如重量法、電阻法、負壓計法等。重量法是指取土樣烘干，稱量其干土重和含水量重并加以計算；電阻法是指根據(jù)土壤溶液的電導性與土壤水分含量的關系，使用電阻式土壤濕度測定儀測定土壤濕度；負壓計法是指使用負壓計測定，當未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負壓力平衡時，壓力所表示的負壓力即為土壤吸水力，再據(jù)此求算土壤含水量。本探究實驗選擇的方法就是電阻法。

傳感器技術能方便、快捷地完成實驗數(shù)據(jù)采集和結果分析、推測。如果你認為本實驗結論中最宜土壤濕度范圍較大，如果你還想知道雛菊生長過程是否也需要同樣高的土壤濕度，都可進一步設計有針對性的實驗進行探究。當然，最好的辦法是將數(shù)據(jù)實時采集到計算機數(shù)據(jù)庫，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺做科學實驗，那將會更加有趣、直觀。

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