生態系統氮素運轉虛擬仿真實驗的設計與開發

何 磊，陳 欣，唐建軍，胡亮亮，程 磊

（1.浙江大學 國家級生物實驗教學示范中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大學 生命科學學院，浙江 杭州 310058）

生態系統物質循環和能量流動是生態學研究的熱點和難點[1-6]，也是生態學課程教學的重點內容[7-8]。為加深學生對生態系統中元素循環特征、運轉途徑等知識點的理解，我校生態學專業教學團隊開設了基于穩定性同位素技術的生態系統氮素運轉實驗（以下簡稱“生態系統氮素循環實驗”）[9]，該實驗采用模擬自然生態系統和模型分析相結合的方式，定量跟蹤分析元素在生物之間的轉移過程和遷移率，有助于學生加深對生態系統內元素循環機制的理解。穩定性同位素技術是研究生態系統元素循環的重要手段，通過追蹤穩定性同位素13C 和15N 可以精確分析其在遷移轉化中的變化規律[10-15]。我校生態學專業教學團隊開設的生態系統氮素循環實體實驗，即是采用穩定性同位素15N 進行實驗測定。但是，穩定性同位素技術應用于生態系統氮素循環實驗通常包括以下環節：①15N 標記物質的制備。②15N 標記物質在每個運轉環節的回收。③回收的15N 標記物質的研磨及樣品微量稱取。④樣品上機（同位素質譜儀）分析。⑤計算。這些環節的實施面臨著時間長、費用高、儀器昂貴稀少等問題，實驗的開設受到時間、空間、儀器設備等的限制，只能小班進行，很難面向大量學生。

為解決時間、空間和儀器設備限制問題，進一步提高實驗受益人數，激發學生學習興趣，我校生命生態學教學團隊依托學科優勢和科研實力[16-17]，設計開發出基于穩定性同位素技術的生態系統氮素運轉虛擬仿真實驗系統。該系統不但突破了穩定性同位素15N測定的時間和儀器限制，使學生能夠在短時間內掌握利用穩定同位素觀測元素循環轉移的原理和技術，而且很好地解決了時間與空間上的難題，有利于學生加強對生態系統元素循環的認識與理解，系統掌握生態學知識與技能，提高創新能力。

1 生態系統氮素運轉虛擬仿真實驗原理

1.1 氮素在稻魚共生系統中的循環利用

稻魚共生系統中輸入的氮素（15N 標記的飼料氮）主要通過生物之間互補利用運轉，從而實現生態系統氮素循環（圖1）。通過測定15N 標記的飼料氮在田魚、水稻植株、田間其他生物、土壤、水體的分布，即可計算15N 標記的飼料氮的運轉去向和循環利用效率。本虛擬仿真實驗利用3D、3DS MAX 系列信息技術，實現對標記15N 在稻魚共生系統中運轉過程的高度仿真。

圖1 稻魚共生系統氮素運轉循環示意圖

1.2 田魚個體取食行為差異與氮素利用

稻魚共生系統田魚的取食行為略有差異（圖2(a)），取食對象大致分為底棲動物、浮游植物、藻類3 類。個體取食行為的差異導致資源的充分利用，同位素生態位產生分離（圖2(b)）。本虛擬仿真實驗實現了對田魚的取食行為的高度仿真。

圖2 稻魚共生系統田魚的取食行為與資源利用

1.3 利用穩定性同位素技術研究元素的利用與去向

具有相同質子數和不同中子數的原子互稱為同位素，可分為放射性同位素和穩定性同位素[18]。含有穩定性同位素的分子與正常的分子相比，擁有相同的化學性質，但由于質量稍大，物理性質有著一定的差異，因此在一些生物學過程中同位素的含量會發生變化，發生同位素分餾現象。圖3 為穩定性同位素技術應用原理。生態學研究中可以利用不同物體穩定性同位素豐度的天然差異來研究食物鏈中生物的取食關系、動物食物來源等；也可以通過人為添加重同位素到目標物質中，達到追蹤指示的作用。本虛擬仿真項目構建了利用穩定性同位素測定氮素運轉的整套虛擬仿真實驗。

圖3 穩定性同位素技術應用原理

2 實驗材料和設備

2.1 虛擬實驗材料

（1）稻魚共生系統虛擬材料：稻魚共生生態系統野外場景虛擬；稻魚共生系統構建過程中水稻栽插和田魚放養的虛擬；水稻生長（苗期、分蘗期、幼穗分化期、抽穗揚花期、灌漿成熟期）和田魚生長過程虛擬。

（2）稻魚共生系統氮素15N 的運轉虛擬材料：虛擬稻魚共生系統氮素轉運過程，包括15N 標記的飼料的輸入、田魚活動的觀察、15N 在稻田的流向（如被水稻吸收、魚取食利用）等。

（3）15N 測定虛擬材料：虛擬野外場景中水稻、魚、土壤的取樣和室內樣品前處理等。

2.2 虛擬實驗設備

（1）虛擬野外實驗裝置：樣方、魚活動觀測攝像設備和系統、穩定性同位素標記設備、土壤采集工具。

（2）虛擬實驗室儀器設備：電子天平、烘箱、行星式球磨儀、研磨機、超低溫干燥箱、同位素質譜儀等實驗儀器。

3 實驗系統教學設計

本虛擬仿真實驗系統以我校生命科學學院野外科研基地、全球重要農業文化遺產——浙江青田稻魚共生生態系統為原型，制作了高度仿真的稻魚共生生態系統，并設計了一套完整模擬生態系統中物種間氮素運轉過程的實驗。該系統實驗部分由稻魚共生生態系統的構建、稻魚生態系統氮素隨飼料的輸入、田魚活動的觀察、水稻田魚土壤的取樣和樣品前處理、穩定性同位素的測定與計算、稻魚共生系統氮素利用分析6 個模塊組成，采用學習和考核2 種模式（圖4）。

圖4 2 種實驗模式及6 大模塊

3.1 稻魚共生生態系統的構建

該模塊介紹了稻魚共生生態系統的基本情況，包括該系統的歷史、地形地貌、周邊環境及相關科學研究進展等。為了讓學生更好地了解實驗相關知識，進入實驗模塊之前，學生需要完成相關題目（圖5(a)）。隨后學生進入虛擬野外場景，選擇實驗工具，根據實驗提示，按照參數（密度、規格）進行水稻種植以及青田田魚放養（圖5(b)），構建稻魚共生系統、水稻單作系統和田魚單養系統（圖5(c)）。

3.2 稻魚生態系統氮素隨飼料的輸入

該模塊中學生需要選擇15N 標記的飼料并進行投喂，從而了解氮素輸入生態系統的方式及過程。在該過程中學生需要根據田魚大小計算投喂量并在正確的時間進行投喂，同時計算出該時期投喂的飼料中氮素含量（圖6）。通過這一過程，強化了學生對于氮素在生態系統中遷移轉化的理解，讓元素在生態系統中的遷移轉化變得更加形象和具體。

圖6 15N 標記飼料的投放

3.3 田魚活動的觀察

該模塊中學生需要對比稻魚共生生態系統和田魚單養系統中魚的活動情況。首先，學生將在兩個系統小區中建立樣方，并在各個樣方邊架立攝像機對樣方進行錄像并收集儲存錄像（圖7(a)），然后根據錄像來觀察田魚的活動并提取數據（圖7(b)）。學生通過提取數據進行分布多樣性及分布均勻性指數的計算，從而了解不同時間段內田魚在田間活動分布格局（圖7(c)）。

3.4 水稻、田魚、土壤的取樣和樣品前處理

該模塊中學生在野外場景中對3 種樣品進行取樣，并將取到的樣品帶回實驗室進行樣品的前處理。

（1）水稻樣品。水稻取樣需從每株水稻的土表處剪斷，用自來水沖去表面附著物，105 ℃殺青處理15 min，然后65 ℃烘干至恒重。每株水稻稱量記錄干 重后剪成長度約為1 cm 的碎片并混合均勻，最后取適量樣品研磨后保存在塑封袋中備用（圖8(a)）。

圖7 田魚活動的觀察模塊

（2）動物樣品。水稻收獲后，收取所有動物樣品。系統中收獲的魚均暫養于清水中24 h 排凈腸道內容物，隨后轉入–80 ℃冰箱保存，真空冷凍干燥。以每個小區為單位稱量記錄干重后剪碎混合均勻，然后取適量研磨后保存在塑封袋中備用（圖8(b)）。

（3）土壤樣品。在水稻插秧之前和動物收取之后，分別對每個小區表層土（10 cm）進行5 點取樣，混合均勻，風干后碾壓磨細過100 目篩，保存在塑封袋中備用（圖8(c)）。

圖8 水稻、田魚、土壤的取樣和樣品前處理模塊

3.5 穩定性同位素的測定與計算

該模塊中學生對處理好的土壤、田魚和水稻等樣品進行微量稱量、包樣及上機測定等操作，掌握同位素樣品的檢測及分析。

（1）樣品稱重及包埋（微量）。學生在虛擬環境中左手戴一次性CPE 手套（接觸樣品），利用超微量天子天平（METTLER TOLEDO XP6）對樣品進行稱量，稱好的樣品放入直徑4 mm、高6 mm 的錫紙杯中進行包埋并記錄樣品質量（圖9(a)）。

（2）上機測定。同位素質譜儀（美國，Thermo Fisher Delta V Advantage）提前預熱、檢測，打開所需氣體，測定參照的標準樣品。將樣品編號和質量錄入軟件中，選擇測定分析方法，同時將樣品按順序加入自動進樣器進行測定（圖9(b)）。

（3）計算。樣品中15N 含量計算公式見式（1）[19]，其中數據由同位素質譜儀直接測得。

其中，w(N)為樣品總氮含量，R為樣品的重同位素（15N）與輕同位素（14N）的豐度比。

圖9 穩定性同位素的測定與計算模塊

3.6 稻魚共生系統氮素利用分析

該模塊學生將測定的結果代入相應的公式，計算出稻魚共生系統中氮素在各個生物體中的含量，分析氮素在稻魚共生生態系統的遷移規律（圖 10(a)）。同時，根據數值完成稻魚系統中氮素遷移的模式圖（圖10(b)）。計算公式如下[20]：

式中：a為水稻吸收的環境中的N 對水稻地上部分總N 量的貢獻率；b為飼料N 對水稻地上部分總N 量的貢獻率；δRM(15N)為水稻單作處理下水稻的15N 同位素千分差值；δfeed(15N)為15N 標記飼料的15N 同位素千分差值；δRFS(15N)為水稻和水產動物共作處理下水稻的同位素千分差值。

圖10 稻魚共生系統氮素利用分析模塊

4 虛擬仿真實驗系統操作流程

（1）學生進入虛擬仿真系統，根據教師講解及視頻學習了解實驗目的、實驗原理，熟悉和鞏固相關概念，隨后進入虛擬實驗場景，了解整個虛擬仿真實驗包含的內容及模塊。

（2）項目中設計了一個教師的角色，學生進入實驗場景后，通過教師的指導與提示，進行虛擬實驗的操作。通過學習模式的虛擬實驗場景使學生了解稻魚生態系統概貌、水稻生長不同階段、田魚取食活動等內容；通過相關實驗過程使學生掌握水稻種植密度和規格、魚取食行為、水稻、魚和土壤樣品前處理、穩定性同位素氮的測定以及稻魚共生系統氮素利用分析等。

（3）學生進入考核模式進行完整實驗，完成相關習題，平臺自動記錄學生提交的統計數據。

（4）學生從平臺下載數據，并進行統計分析，撰寫報告并提交。

（5）教師根據學生提交的原始數據和實驗報告給出成績。

5 結語

本虛擬仿真實驗系統以稻魚共生系統氮素遷移定量跟蹤的實體實驗為基礎，融合了科研項目的研究成果，增加了稻魚生態系統的構建、田魚取食活動觀察及氮素走向過程觀察等方面的實驗內容，促進了科研與教學的有機融合，拓寬了本科實驗教學的深度和廣度。此外，該虛擬仿真系統充分利用信息化技術，打破課堂與實踐壁壘，將課堂上晦澀難懂的概念、難以一次性觀察到的現象與野外實際相結合，以虛補實，為實體實驗教學提供了虛擬素材，鞏固了實體教學。“虛實結合、以虛促實”的教學方式激發了學生探索大自然的激情，提高了學生的學習效率和創新能力。