利用Arduino探究種子萌發的最宜土壤濕度

張敬云 謝作如

學科關鍵詞：生物、物理、數學、技術

探究種子萌發的條件，是學生在科學課上要學習的內容。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的影響。傳感器結合單片機，將使學生的實驗數據收集能力大大提高，很多傳統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播種且成活率較高的雛菊種子作為實驗種子。根據探究目的，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，雛菊種子萌發最快、萌發率最高”。通過查找資料我們發現，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，雛菊種子萌發最快、萌發率最高”。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的快慢和萌發率。這里“萌發”是以看到種子破土而出為準；“種子萌發快慢”是指每天不同土壤濕度種子的萌發數量，數量多則萌發快，數量少則萌發慢；“萌發率”是指種子的萌發總數與種子播種總數的比值。

基于以上內容，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，其檢測數據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——顯示屏來顯示數據，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，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境中。

⑤每天檢測土壤濕度，確定其保持在設定的范圍內，同時觀察種子的萌發數量，將數據記在記錄表中。

⑥根據數據，計算不同土壤濕度種子的萌發率，并畫出不同土壤濕度中種子萌發情況的圖像，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來計量土壤濕度值，因此可利用映射模塊實現這一數值的轉換。具體程序如圖2、圖3所示。

● 數據分析

經過一周的種子萌發培養，我們得到的種子萌發情況如下頁圖4所示，數據記錄及萌發率如下頁表2所示，將記錄的數據轉錄到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快，且萌發率高。而4號杯中種子最先萌發且在第5天之前都要比3號杯中種子萌發快，但第5天之后，3號杯中種子萌發開始比4號杯中種子萌發快，并且最終3號杯中種子萌發率高于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，雛菊種子萌發最快、萌發率最高。

通過實驗我們發現，為了獲得準確的實驗結果，需要注意以下內容：

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；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。

③檢測土壤濕度時，將土壤濕度傳感器插到沒有播種的土壤中間，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、快捷地完成實驗數據采集和結果分析、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，最好的辦法是將數據實時采集到計算機數據庫，借助物聯網平臺做科學實驗，那將會更加有趣、直觀。

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