學(xué)科實(shí)踐是發(fā)展生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途經(jīng)

姜鍶濠 桑艾莉 章熙東 高金濤

摘要 以南京紫金山不同海拔高度的土壤為研究對(duì)象，探究了土壤理化性質(zhì)、土壤微生物生物量和土壤酶活性對(duì)海拔高度變化的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著海拔升高，土壤含水量和 pH 顯著降低；土壤有機(jī)碳、總氮和總磷均隨海拔升高而顯著增加，而土壤速效養(yǎng)分如 DOC、有效氮和有效磷以及土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮和微生物生物量磷則隨著海拔的升高而顯著降低；土壤碳分解酶、氮分解酶和磷分解酶也隨著海拔升高而活性降低。研究表明，土壤微生物生物量和土壤酶活性對(duì)海拔升高反應(yīng)敏感，隨著海拔高度增加，土壤含水量和溫度的降低影響了微生物和酶的活性，使得土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，積累較多；而在低海拔處土壤酶活性較強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)分解迅速，土壤有效養(yǎng)分含量提高。

關(guān)鍵詞? 南京紫金山海拔高度土壤酶活性土壤微生物量土壤養(yǎng)分

中圖分類號(hào) G633.91???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

隨著我國(guó)新課程改革的不斷深入，“學(xué)科實(shí)踐”逐漸受到廣泛關(guān)注。2016年9月發(fā)布的《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》明確提出要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，重視“學(xué)生在日常活動(dòng)、問(wèn)題解決、適應(yīng)挑戰(zhàn)等方面所形成的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和行為表現(xiàn)”。2017年版的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2020年修訂）明確了新課程的基本理念之一為“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)踐性以發(fā)揮學(xué)科實(shí)踐育人功能。生物學(xué)科的四大核心素養(yǎng)（生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任）是一種具有高度整合性、實(shí)踐性、建構(gòu)性的素養(yǎng)，這些特性決定了培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的路徑之一，即學(xué)科實(shí)踐——要高度重視學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)歷，力求為學(xué)生提供更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)。用科學(xué)的方法學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)，才能發(fā)現(xiàn)學(xué)科的新觀念、思維和價(jià)值，從而達(dá)到學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo)。學(xué)科實(shí)踐，已成為學(xué)生的一種學(xué)習(xí)方式。

《生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)》是高中生物學(xué)選擇性必修2的重要組成部分，內(nèi)容涉及生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題，與學(xué)生實(shí)際生活聯(lián)系密切。《新課標(biāo)》建議，教學(xué)中，教師應(yīng)通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開展有關(guān)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)查和搜集資料等活動(dòng)，特別是了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)、保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的活動(dòng)，提高環(huán)境保護(hù)意識(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中，了解到土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)主要參與者，在土壤碳氮磷等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)過(guò)程中具有不可代替的重要作用。因此，教學(xué)中開展“海拔高度對(duì)南京紫金山土壤微生物功能的影響”的學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)顯得很有意義。

1 研究背景

南京紫金山景區(qū)是著名的風(fēng)景名勝區(qū)，屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候，平均氣溫15.7℃，無(wú)霜期237 d，海拔448.9 m，景區(qū)內(nèi)森林覆蓋率達(dá)67.3%，主要為馬尾松、黑松、國(guó)外松、櫟類、楓香類和黃連木等樹種及部分竹林。土壤為黃棕壤和黃褐土。在土壤研究中，土壤微生物量和土壤酶是兩個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。土壤微生物量是指土壤中體積小于5000μm3的生物總量，但活的植物體如植物根系等不包括在內(nèi)，是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分。土壤酶是指由土壤微生物或植物根系分泌的具有專一催化作用的蛋白質(zhì)或者RNA，土壤酶活性被認(rèn)為是微生物功能的重要表征指標(biāo)之一。土壤微生物量和酶對(duì)生態(tài)環(huán)境變化具有“指示性”的敏感反應(yīng)，是土壤環(huán)境（土壤理化性質(zhì)、水熱條件等）變化的靈敏生物指標(biāo)。山地生態(tài)系統(tǒng)由于存在著垂直方向上的海拔變化，使得生態(tài)因子在相對(duì)較小的空間內(nèi)發(fā)生系列轉(zhuǎn)變，并由此引發(fā)山地區(qū)域小氣候、土壤理化特征等的變化，因此成為研究土壤微生物和酶活性與土壤理化性質(zhì)和水熱條件等生態(tài)因子關(guān)聯(lián)機(jī)制的熱點(diǎn)區(qū)域。本文主要探究南京紫金山不同海拔梯度對(duì)土壤微生物生物量和酶活性的影響，以期為南京紫金山風(fēng)景名勝區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和不同海拔微生物功能的變化研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

2.1? 土壤樣品采集

2020年10月，在江蘇省南京市東郊紫金山（118.8E，32.0N）北麓由白馬公園出發(fā)到山頂頭駝鈴景區(qū)，按照海拔420 m、220 m 和20 m，沿登山道路選取較少人為干擾處分別劃定2m×2 m 小區(qū)，每個(gè)小區(qū)按照“S”型隨機(jī)設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，用直徑3 cm 土鉆取0-10cm 的土壤。將采集的土壤迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石礫和可見根系等動(dòng)植物殘?bào)w，用于含水率和土壤酶活性的測(cè)定，剩下的土壤過(guò)2 mm 篩后分為兩部分，一部分用于微生物生物量；另一部分土壤室溫風(fēng)干研磨后過(guò)0.149 mm 篩用于測(cè)定土壤有機(jī)碳等基本理化指標(biāo)。

2.2 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤有機(jī)碳、全氮用碳氮元素分析儀（Elementar? Vario MAX，德國(guó)）測(cè)定；土壤全磷用 HClO4—H2SO4消煮提取法；土壤有效碳（DOC，可溶性有機(jī)碳）用去離子水提取后用總有機(jī)碳分析儀（TOC-VCPH/CPN，日本）測(cè)定；土壤有效氮和有效磷用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalarsan++，荷蘭）測(cè)定。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷測(cè)定

微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）采用熏蒸-硫酸鉀浸提法，用總有機(jī)碳分析儀（TOC- VCPH/CPN，日本）測(cè)定提取液中有機(jī)碳含量，用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalarsan++，荷蘭）測(cè)定總氮含量。微生物生物量磷（MBP）用0.5 mol L-1 NaHCO3溶液提取，用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalarsan++，荷蘭）測(cè)定。

2.4 土壤酶活性測(cè)定

土壤酶活性參照Saiya-Cork 和Sinsabaugh的方法提取和培養(yǎng)土壤中3種與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的水解酶（β-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶），用多功能酶標(biāo)儀（SpectraMax M5，美國(guó)）測(cè)定熒光度。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) Microsoft Excel 2013軟件處理后，采用 SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析（Duncan 法，α=0.05）和相關(guān)性分析（Pearson，α=0.05）；采用Canoco Software 5.0軟件進(jìn)行 RDA 分析（不符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換）；繪圖由Origin 9.0軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1? 紫金山不同海拔高度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，隨著海拔升高，土壤pH 顯著升高，而土壤含水量則顯著降低，由20 m 到220米和420 m 土壤水分分別減少18.1%和45.8%；氣溫采用20 m 氣溫，按照海拔每升高100米氣溫下降0.6℃的規(guī)律推算得到220 m 和420 m 處溫度；土壤有機(jī)碳，全氮和全磷含量隨著海拔升高而顯著增加，而土壤速效養(yǎng)分卻呈現(xiàn)與土壤全量養(yǎng)分相反的趨勢(shì)，隨著海拔的增加，土壤 DOC，有效氮和有效磷均顯著降低。

3.2 紫金山不同海拔高度對(duì)土壤微生物生物量的影響

如圖1所示，隨著海拔的升高，MBC 和MBN 均顯著降低，20 m 處的MBC 和MBN 含量分別為557.8 mg kg-1和72.9 mg kg-1隨著海拔增加，二者分別降低23.4%-60.7%和18.7%-29.9%，20 m 和220 m 的 MBP 并無(wú)顯著差異，但均顯著高于420米的MBP 含量。

3.3 紫金山不同海拔高度對(duì)土壤酶活性的影響

β-葡糖苷酶（βG）與纖維素分解的快慢密切相關(guān)，βG 是土壤有機(jī)碳變化的重要指標(biāo)，被認(rèn)為是土壤中主要的碳素獲得酶之一。β- N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）主要參與分解土壤中的幾丁質(zhì)，被認(rèn)為是主要的氮素獲得酶之一。酸性磷酸酶（AP）活性的高低影響土壤有機(jī)磷的礦化，是酸性土壤中最重要的磷素獲得酶。如圖2所示，土壤C 源酶βG、N 源酶NAG 和P 源酶AP 均隨著海拔升高而顯著降低，而且隨著海拔的的不斷增加，三種土壤酶仍然呈顯著降低趨勢(shì)。

3.4紫金山土壤酶活性和土壤微生物生物量的關(guān)系

如圖3所示，利用方程擬合土壤 C 源酶βG、N 源酶 NAG 和 P 源酶 AP 分別與對(duì)應(yīng)的 MBC、MBN 和 MBP。結(jié)果表明，MBC，MBN 和 MBP 與對(duì)應(yīng)的βG、NAG 和 AP 相關(guān)強(qiáng)烈，方程擬合系數(shù) R2分別為0.82，0.88和0.74。即土壤微生物量可以較好預(yù)測(cè)相關(guān)酶活性的變化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

土壤含水量、氣溫、pH和土壤養(yǎng)分狀況是影響土壤微生物的主要因素。

（1）紫金山在低海拔處（20 m），溫度，水分和pH適宜微生物生存；土壤微生物活動(dòng)旺盛，分泌大量參與碳氮磷分解的酶（βG、NAG和AP），分解土壤中有機(jī)質(zhì)，致使土壤有機(jī)碳，總氮和總磷減少，而速效養(yǎng)分DOC、有效氮和有效磷含量增加；而隨著海拔的升高，水分和溫度降低，pH升高，土壤微生物活動(dòng)減弱，分解有機(jī)質(zhì)緩慢，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳，總氮和總磷積累增多。

（2）相對(duì)于較高海拔，低海拔土壤土壤微生物生物量更高，土壤酶活性更強(qiáng)，土壤微生物更活躍，上述結(jié)果可能為研究山地不同海拔土壤微生物功能的變化提供參考依據(jù)。

5 教學(xué)反思

學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)是核心素養(yǎng)形成的路徑，學(xué)生在實(shí)踐中親身經(jīng)歷知識(shí)產(chǎn)生的歷程，把認(rèn)知與行動(dòng)、理論與實(shí)踐、學(xué)科知識(shí)與日常生活有機(jī)融為一體。生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)是生物學(xué)學(xué)科課程的重要組成部分，對(duì)于全面實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)有十分重要的意義。生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的有效開展能夠促使學(xué)生關(guān)注與生物學(xué)有關(guān)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題并積極參與，對(duì)于豐富學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、提升學(xué)生的合作意識(shí)以及提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力都有很大幫助，開展生物學(xué)學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)也是開展跨學(xué)科實(shí)踐的基礎(chǔ)。在未來(lái)的教學(xué)中，仍需進(jìn)一步探索將實(shí)踐活動(dòng)融入日常教學(xué)的有效途徑，以更好落實(shí)立德樹人的目標(biāo)及切實(shí)促使學(xué)生核心素養(yǎng)的提升?！跋駥W(xué)科專家一樣思考與實(shí)踐”，以學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)為抓手，建立實(shí)踐型的新型育人方式，這既是新課標(biāo)的內(nèi)在要求，也是落實(shí)新課標(biāo)的必然要求。

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