不同土壤土質(zhì)代謝產(chǎn)氣研究

陳孟林 陳幫強(qiáng) 梁碧波

（貴州省遵義市第一中學(xué) 貴州遵義 563000）

1 探究背景

人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》用酵母菌為例探究了呼吸作用的代謝類別和過程，必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》介紹了土壤微生物對(duì)落葉的分解，選修1《生物技術(shù)實(shí)踐》介紹了土壤微生物的分離。土壤濕潤、有豐富的無機(jī)鹽和枯枝落葉，這些條件為微生物的生長繁殖提供了碳源、氮源、水分、無機(jī)鹽，所以土壤是微生物的樂園。土壤微生物代謝需要土壤空氣（主要的氣體是氧氣，有的微生物可利用二氧化碳、氮?dú)獾龋矔?huì)產(chǎn)生多種代謝氣體（主要的氣體是二氧化碳，有的微生物可產(chǎn)生氨氣、甲烷等），當(dāng)需要的氣體與代謝釋放的氣體量不等時(shí)，就會(huì)引起土壤壓強(qiáng)變化。不同土壤的理化特性有所不同，土壤微生物的種類、數(shù)量、代謝類別也有所不同，人為添加蔗糖為有機(jī)碳源，會(huì)大大增強(qiáng)利用蔗糖的微生物繁殖和代謝，引起土壤壓強(qiáng)的變化會(huì)加大。針對(duì)教材中的這些理論知識(shí)，本文進(jìn)行了“不同土壤土質(zhì)的產(chǎn)氣探究”，其目的是開發(fā)這些知識(shí)的探究性學(xué)習(xí)資源包，促進(jìn)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 探究過程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 A層黑壤菜園土（5～10 cm）、A層黃壤菜園土（5～10 cm）、A層黑壤果園土（5～10 cm）、A 層稻田土壤（5～10 cm）、河沙土（5～10 cm）。

2.2 實(shí)驗(yàn)用具 鐵鏟、直尺、剪刀、保鮮袋、標(biāo)簽、塑料瓶、量筒、電子天平、濾紙、CMYK色卡、氣球、滴管。

2.3 實(shí)驗(yàn)試劑 溴麝香草酚藍(lán)（滴定標(biāo)準(zhǔn)溶液，山東永安化驗(yàn)室出品，濃度為0.4%）、5%蔗糖、蒸餾水。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

1）取30個(gè)礦泉水塑料瓶，分別貼上1～10號(hào)標(biāo)簽，每組塑料瓶3個(gè)。

2）每組塑料瓶的處理見表1。

表1 不同組別土壤微生物產(chǎn)氣探究統(tǒng)計(jì)表

3）用氣球封住瓶口，48 h一輪，每輪觀察氣球直立或內(nèi)陷的狀態(tài)與塑料瓶的平均膨脹程度（等級(jí)描述硬度值為無變化0分、正壓稍硬+1分、正壓硬+2分、正壓較硬+3分、正壓很硬+4分、稍有負(fù)壓-1分、負(fù)壓明顯-2分、負(fù)壓嚴(yán)重-3分）。之后取下氣球，分別在瓶口放上干燥濾紙，滴加溴麝香草酚藍(lán)，10 s后觀察記錄濾紙CMYK值中Y的色卡值。連續(xù)觀察5輪。

3 探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、圖1、圖2、圖3。

表2 不同組別土壤微生物代謝產(chǎn)氣探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 加蔗糖后不同土壤土質(zhì)發(fā)酵4 d后的代謝產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 加蔗糖后不同土壤土質(zhì)發(fā)酵6 d后的代謝產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 加清水后不同土壤土質(zhì)發(fā)酵6 d后的代謝產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

1）土壤微生物代謝產(chǎn)生二氧化碳量的分析：溴麝香草酚藍(lán)是檢測二氧化碳很敏感的指示劑，指示顏色為黃色，黃色越深，二氧化碳的濃度越大。將表2各組黃色色卡值繪制成圖4。

從圖4可以看出，圖標(biāo)右上方的5條線為不同土壤中加入了5%的蔗糖，Y值均為90，說明在蔗糖的作用下，不同農(nóng)田土壤微生物利用蔗糖快速繁殖，代謝產(chǎn)生二氧化碳能力較強(qiáng)。圖標(biāo)右下方的5條線為土壤中加入的是蒸餾水，Y值明顯減低，且有差異，說明在缺乏有機(jī)質(zhì)的條件下，不同農(nóng)田土壤的微生物種類、數(shù)量、代謝有所差異，代謝產(chǎn)生二氧化碳的能力明顯減弱，不同土質(zhì)代謝產(chǎn)氣具有差異性。

圖4 不同組別土壤微生物代謝產(chǎn)氣探究黃色色卡值對(duì)比折線

2）土壤微生物代謝與土壤壓強(qiáng)變化分析：將表2的每輪不同土質(zhì)的硬度值制成圖5。

圖5 不同組別土壤微生物代謝產(chǎn)氣探究土壤壓強(qiáng)變化對(duì)比柱形圖

從圖5可以看出，有明顯柱形條的是加糖的土壤，這些土壤在土壤微生物代謝中，第1輪硬度值大于0、第2輪有4種土壤大于0，第3輪、第4輪、第5輪小于0，說明在蔗糖參與下，發(fā)酵前期利用蔗糖的土壤微生物數(shù)量顯著增加，代謝釋放的氣體多于耗氣，瓶中土壤空氣壓強(qiáng)增大，出現(xiàn)瓶中空氣正壓的現(xiàn)象。中后期因代謝廢物的積累和蔗糖的減少，土壤中微生物類別和代謝發(fā)生改變，代謝釋放的氣體少于耗氣，瓶中土壤空氣壓強(qiáng)減少，出現(xiàn)瓶中空氣負(fù)壓的現(xiàn)象。加入蒸餾水的不同對(duì)照土壤硬度值均為0，瓶中氣壓保持穩(wěn)定，說明土壤因缺少有機(jī)質(zhì)后，不同土壤微生物的類別和代謝的變化不大。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論 在土壤有機(jī)質(zhì)缺乏時(shí)，土壤微生物代謝產(chǎn)氣慢，土壤空氣壓強(qiáng)保持不變。在不同的農(nóng)田土壤中添加蔗糖，利用蔗糖的土壤微生物會(huì)快速繁殖，代謝產(chǎn)生的二氧化碳顯著增加，發(fā)酵前期，微生物代謝產(chǎn)氣大于耗氣，土壤空氣為正壓，中后期因代謝廢物的積累和蔗糖的減少，土壤中微生物類別和代謝發(fā)生改變，代謝釋放的氣體少于耗氣，土壤空氣為負(fù)壓。

5.2 建議 該實(shí)驗(yàn)方案操作簡單、取材方便、效果顯著，是一個(gè)十分理想的生物學(xué)探究性學(xué)習(xí)資源包。應(yīng)用于教學(xué)中能拓寬高中生物學(xué)教材土壤微生物的知識(shí)內(nèi)容,還能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。