觀察燒杯中微型生態系統的群落演替

摘 要 敘述了以一杯池塘水來模擬一個微型的生態系統，觀察其中的生物類型和數量隨著時間發生的變化，以強化初生演替和次生演替的概念。

關鍵詞 探究 初生演替 次生演替

群落演替是生態學的基礎理論，群落演替中初生演替和次生演替的概念十分抽象，難以理解，容易混淆。群落演替描述了生態系統在一段時間內逐漸發生的一系列變化，這一系列的變化是一個持續的而長久的過程，一般是比較難以觀察的，因為完成一次群落演替一般需要10年或上百年。本研究通過實驗將教學內容變抽象為具體，有助于學生理解理論知識。筆者用一杯池塘水來模擬一個微型的生態系統，觀察其中的生物類型和數量隨著時間發生的變化，以強化初生演替和次生演替的概念。實驗方法參照美國高中主流理科教材《Biology·The Dynamics of life》的中譯本《生物·生命的動力》。

1 材料

實驗器材：3個燒杯、3支滴管、標簽紙、玻璃棒、池塘水、煮過的白米飯粒、量筒、顯微鏡、載玻片與蓋玻片等

2 實驗方法

（1） 取池塘水樣。實驗用池塘水采自于四川省成都市郊區一池塘。

（2） 取400 mL池塘水進行高溫滅菌。在3個燒杯上分別貼上A、B、C的標簽。在每個瓶中倒入等量（110 mL）的已滅菌的池塘水。向A瓶再加10 mL滅菌的池塘水；B瓶再加10 mL滅菌的池塘水并加入10粒煮過的白米飯；C瓶加入10粒煮過的白米飯、10 mL未滅菌的池塘水和一些原來在池塘水中的植物。輕輕地攪動每個燒杯，在數據本上記錄每個瓶中的渾濁度，分為1-10度，其中10度表示最渾濁。在每個裝片上分別標上A、B、C。用不同的干凈的滴管吸取每個燒杯中池塘水樣。在低倍鏡下觀察各個裝片，說出視野中看到的自養生物和異養生物的名稱，并依此描述其特征，或繪制一個草圖，記錄每種生物的數量。完成第一次觀察的數據表。并將3個燒杯置于有光的區域下。接下來每隔3 d觀察瓶中的變化，并重復步驟4次，認真的進行記錄。

（3） 教師提出問題。數據分析時，教師注意引導 學生考慮以下問題：哪個瓶屬于對照組？煮過的米飯的作用是什么？哪一瓶的池塘水的渾濁度是最輕的？為什么？描述一段時間后自養生物數量和類型的變化。這是生物演替嗎？是初生演替還是次生演替？請說明理由。在本次實驗中你能不能觀察到頂級生態系統，為什么？描述可能影響實驗結果的因素，并說明如何才能盡量控制這些因素。學生根據這些問題來對實驗數據進行分析。

（4） 知識的升華。學生撰寫論文，制作PPT，將實驗結果和結論在班級中展示。

3 實驗結果及分析

3.1 結果

實驗A組屬于對照組，在B組和C組加入煮熟的米飯是為燒杯中的生物提供有機物。實驗中A組的池塘水渾濁度最輕，C組最渾濁；到實驗第21天，A組渾濁度為4度，B組6度，C組達到10度。這是因為在A組中生物最少，隨著實驗時間的增加，三組中的細菌數量都在增加，而A組中的有機物相對B組和C組少，主要由滅菌后的池塘水里面殘留的一些原生生物尸體提供，所以A組的細菌相對更少，C組中加入了池塘水的原液，所以細菌以及其他原生生物的數量更多。由于受到條件的限制，如光照，有機物等，在實驗中無法觀察到頂級生態系統。

3.2 實驗中觀察到的生物及特征

在3組實驗中分別看到了不同的生物，并且記錄了隨著時間的推移這些生物的數量變化（表1）。A組作為對照實驗，只在實驗第三天時觀察到了細菌，能夠在低倍鏡下觀察到細菌在運動，并隨實驗時間延長細菌數增多。B組在實驗第三天時觀察到細菌，在實驗的第十五天出現了藍藻，在低倍鏡下，可以觀察到藍藻呈絲狀體的細胞群，細菌和藍藻數量都在逐漸增多。從一開始B組中沒有生物，到細菌和藍藻的出現，形成了新的生物群體，這種演替就屬于初生演替。在實驗C組一開始觀察到細菌、浮萍、大型溞和劍水蚤，衣藻，尖頭桿吻蟲和在12天時觀察到的藍藻。其中，大型蚤和劍水蚤在實驗的第20天消失，尖頭桿吻蟲在實驗的第15天消失，衣藻在第18天消失。由一開始以枝角類生物（大型蚤和劍水蚤）為主，變為以細菌等生物為主的生物群體，C組的演替屬于次生演替。浮萍屬于浮萍科的植物，結構比較簡單，僅由葉狀體和根系組成，葉狀體的基部有囊，進行無性生殖，在根的著生處一側產生新芽，生長周期較短，大約2～3 d繁殖1代。枝角類的水蚤生長迅速，繁殖快，主要濾食細菌，頭部有2對明顯的觸角，第一對觸角較小，第二對特別發達，可分為內枝和外枝，能在水中劃動，屬于異養型生物。觀察到的衣藻藻體為單細胞，卵形，細胞前端有2條等長的鞭毛，藻體借鞭毛的擺動而游動，喜光，因衣藻能進行光合作用，屬于自養型生物。尖頭桿吻蟲體長約4 mm，體寬0.25 mm，能在水中游泳在低倍鏡下比較透明，口前葉呈圓錐形，先端突出，形成一條長吻，長吻呈桿狀且透明。

3.3 問題的分析

對于數據的收集，定量和定性數據收集同步進行，將2種結果加以整合將更有說服力。在實驗中除了觀察池塘水中的各種生物的生理特征以外，還對各種生物進行了數量統計。由于水中的生物具有運動能力，無論是在低倍鏡下，還是在燒杯中直接觀察，數量的統計都有一定的難度，所以統計出的數據可能存在誤差，因此主要進行定性分析。在實驗過程中，浮萍的繁殖量不是很大，很可能是因為實驗的光照條件不足。

在實驗后學生提出問題：為什么B組會在15 d后會有藍藻出現？經過分析，可能是由于在制作裝片時滴管的交叉使用，將藍藻帶人到了B組。學生又提出問題：那么我們的這次實驗是不是就算失敗了呢？其實不然，生態系統本身就是暴露在外界的，生態系統中生物的演替本身就受到外界因素的影響，而現在的主要外界因素就是人為因素，現在人類活動不正是在過多的干涉了自然環境，導致了生態系統嚴重被破壞，并且人類正在為此付出巨大的代價，如全球變暖，臭氧層破壞，水體污染，空氣污染等，當然人們現在已經逐漸意識到保護環境的重要性，只要認真治理，環境問題是可以得到改善的。

從實驗樣品的采集、實驗的實施到論文的撰寫，都是由學生自主參與完成。他們在整個實驗過程中遇到了各種問題，通過資料的查閱及各方面的努力解決了在實際操作中遇到的困難，增強了學生解決問題的能力，激發了學生主動學習的熱情，同時也提高了他們的創新意識。通過實驗將抽象的概念變得更生動，加強了學生對概念的理解，提高了學生的學習熱情，更加深了學生的環保意識。

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