學科實踐是發展生物學科核心素養的重要途經

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象，探究了土壤理化性質、土壤微生物生物量和土壤酶活性對海拔高度變化的響應。實驗結果表明：隨著海拔升高，土壤含水量和 pH 顯著降低；土壤有機碳、總氮和總磷均隨海拔升高而顯著增加，而土壤速效養分如 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海拔升高反應敏感，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，使得土壤有機質分解緩慢，積累較多；而在低海拔處土壤酶活性較強，土壤有機質分解迅速，土壤有效養分含量提高。

關鍵詞? 南京紫金山海拔高度土壤酶活性土壤微生物量土壤養分

中圖分類號 G633.91???????????? 文獻標志碼 B

隨著我國新課程改革的不斷深入，“學科實踐”逐漸受到廣泛關注。2016年9月發布的《中國學生發展核心素養》明確提出要培養學生的實踐創新能力，重視“學生在日常活動、問題解決、適應挑戰等方面所形成的實踐能力、創新意識和行為表現”。2017年版的《普通高中生物學課程標準》（2020年修訂）明確了新課程的基本理念之一為“教學過程重實踐”，強調學科的實踐性以發揮學科實踐育人功能。生物學科的四大核心素養（生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任）是一種具有高度整合性、實踐性、建構性的素養，這些特性決定了培養學科核心素養的路徑之一，即學科實踐——要高度重視學生的實踐經歷，力求為學生提供更多的動手實踐機會。用科學的方法學習學科知識，才能發現學科的新觀念、思維和價值，從而達到學科核心素養的培養，實現育人目標。學科實踐，已成為學生的一種學習方式。

《生態系統的物質循環》是高中生物學選擇性必修2的重要組成部分，內容涉及生態、環境問題，與學生實際生活聯系密切。《新課標》建議，教學中，教師應通過引導學生開展有關的實驗、調查和搜集資料等活動，特別是了解當地生態系統、保護當地環境的活動，提高環境保護意識。學生在學習中，了解到土壤微生物是生態系統中物質循環主要參與者，在土壤碳氮磷等養分轉化和循環過程中具有不可代替的重要作用。因此，教學中開展“海拔高度對南京紫金山土壤微生物功能的影響”的學科實踐活動顯得很有意義。

1 研究背景

南京紫金山景區是著名的風景名勝區，屬于北亞熱帶季風性氣候，平均氣溫15.7℃，無霜期237 d，海拔448.9 m，景區內森林覆蓋率達67.3%，主要為馬尾松、黑松、國外松、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重要的研究內容。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，是活的土壤有機質部分。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或者RNA，土壤酶活性被認為是微生物功能的重要表征指標之一。土壤微生物量和酶對生態環境變化具有“指示性”的敏感反應，是土壤環境（土壤理化性質、水熱條件等）變化的靈敏生物指標。山地生態系統由于存在著垂直方向上的海拔變化，使得生態因子在相對較小的空間內發生系列轉變，并由此引發山地區域小氣候、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和水熱條件等生態因子關聯機制的熱點區域。本文主要探究南京紫金山不同海拔梯度對土壤微生物生物量和酶活性的影響，以期為南京紫金山風景名勝區的生態環境保護和不同海拔微生物功能的變化研究提供科學依據。

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到山頂頭駝鈴景區，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，每個小區按照“S”型隨機設置3個取樣點，用直徑3 cm 土鉆取0-10cm 的土壤。將采集的土壤迅速帶回實驗室，去除石礫和可見根系等動植物殘體，用于含水率和土壤酶活性的測定，剩下的土壤過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干研磨后過0.149 mm 篩用于測定土壤有機碳等基本理化指標。

2.2 土壤基本理化性質測定

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

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷測定

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，用總有機碳分析儀（TOC- VCPH/CPN，日本）測定提取液中有機碳含量，用連續流動分析儀（Skalarsan++，荷蘭）測定總氮含量。微生物生物量磷（MBP）用0.5 mol L-1 NaHCO3溶液提取，用連續流動分析儀（Skalarsan++，荷蘭）測定。

2.4 土壤酶活性測定

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

2.5 數據處理

數據經過 Microsoft Excel 2013軟件處理后，采用 SPSS19.0軟件進行方差分析（Duncan 法，α=0.05）和相關性分析（Pearson，α=0.05）；采用Canoco Software 5.0軟件進行 RDA 分析（不符合正態分布數據進行對數轉換）；繪圖由Origin 9.0軟件完成。

3 結果與分析

3.1? 紫金山不同海拔高度對土壤理化性質的影響

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℃的規律推算得到220 m 和420 m 處溫度；土壤有機碳，全氮和全磷含量隨著海拔升高而顯著增加，而土壤速效養分卻呈現與土壤全量養分相反的趨勢，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，βG 是土壤有機碳變化的重要指標，被認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，被認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。

3.4紫金山土壤酶活性和土壤微生物生物量的關系

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 分別與對應的 MBC、MBN 和 MBP。結果表明，MBC，MBN 和 MBP 與對應的βG、NAG 和 AP 相關強烈，方程擬合系數 R2分別為0.82，0.88和0.74。即土壤微生物量可以較好預測相關酶活性的變化。

4 實驗結論

土壤含水量、氣溫、pH和土壤養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），分解土壤中有機質，致使土壤有機碳，總氮和總磷減少，而速效養分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，土壤微生物活動減弱，分解有機質緩慢，導致土壤有機碳，總氮和總磷積累增多。

（2）相對于較高海拔，低海拔土壤土壤微生物生物量更高，土壤酶活性更強，土壤微生物更活躍，上述結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。

5 教學反思

學科實踐活動是核心素養形成的路徑，學生在實踐中親身經歷知識產生的歷程，把認知與行動、理論與實踐、學科知識與日常生活有機融為一體。生物學實踐活動是生物學學科課程的重要組成部分，對于全面實現課程目標有十分重要的意義。生物學實踐活動的有效開展能夠促使學生關注與生物學有關的現實問題并積極參與，對于豐富學生的實踐經驗、提升學生的合作意識以及提升學生解決實際問題的能力都有很大幫助，開展生物學學科實踐活動也是開展跨學科實踐的基礎。在未來的教學中，仍需進一步探索將實踐活動融入日常教學的有效途徑，以更好落實立德樹人的目標及切實促使學生核心素養的提升。“像學科專家一樣思考與實踐”，以學科實踐活動為抓手，建立實踐型的新型育人方式，這既是新課標的內在要求，也是落實新課標的必然要求。

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