碳中和背景下基于濱海濕地控制實驗系統(tǒng)的地理學實踐教學改革

羅 敏，黃佳芳，許章華，王 琳，仝 川

（1.福州大學環(huán)境與安全工程學院，福州 350116；2.福建師范大學地理科學學院，福州 350007；3.閩江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（國家林業(yè)和草原局），福州 350215）

0 引言

習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上承諾，中國力爭于2030 年前達到二氧化碳（CO2）排放峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。為順利實現(xiàn)碳中和目標，亟需培養(yǎng)大量具備碳中和知識背景，掌握碳計量、碳監(jiān)測、碳核算理論與技能的綜合性實踐型人才。福建省地處東南沿海，具有較大面積的濱海濕地，在濱海藍碳監(jiān)測、評估和海洋碳匯交易方面有較大的人才需求，同時作為國家生態(tài)文明試驗區(qū)，也亟需為實現(xiàn)國家雙碳目標培養(yǎng)相關(guān)人才。2021 年12 月召開的中國地理學大會發(fā)布的中國地理學界碳中和科技行動福州宣言，也提出對培養(yǎng)碳中和地理學人才的迫切需求。特殊的地域條件和國家戰(zhàn)略需求迫切要求地理學專業(yè)在有限的成本和時間內(nèi)，迅速提高學生在濱海濕地碳匯監(jiān)測和估算方面的實踐能力。

實踐型人才是高校人才培養(yǎng)的重點目標之一［1-3］，近年來各高校十分重視實踐教學改革［4-6］，從學科、課程、野外實踐等角度開展了大量課程實踐改革。例如，張海鷹［7］從學科角度探討了人文地理專業(yè)實踐教學模式的構(gòu)建，蒲玉琳等［8］從課程角度開展了綜合自然地理學實踐教學改革研究。馬大龍等［9］、李徐生等［10］開展了野外實習的實踐教學改革。在常規(guī)實踐教學改革的基礎(chǔ)上，近年來基于實驗系統(tǒng)的實踐教學改革模式，日益受到關(guān)注。如李成輝等［11］依托共聚焦顯微鏡共享資源平臺，開展實踐教學改革。王魏等［12］利用魚菜共生實驗系統(tǒng)開展實踐教學改革，整合自動化專業(yè)的4 門課程，有效促進課程融合，提高實踐能力。此類基于實驗系統(tǒng)的實踐教學改革，可在統(tǒng)一平臺中整合多門實踐課程，減少重復(fù)環(huán)節(jié)，促進課程交叉融合。

地理學專業(yè)的自然地理學、植物地理學、土壤地理學、基礎(chǔ)生態(tài)學和環(huán)境科學概論等課程的實踐教學內(nèi)容與碳中和背景息息相關(guān)，但分散在諸多實踐地點和環(huán)節(jié)中且高度重合。十分有必要開展實踐教學改革，促進課程融合，提高教學效率。為此，本項目依托濱海濕地控制實驗系統(tǒng)，開展碳中和背景下的地理學實踐教學改革，以期開展既滿足地理學專業(yè)相關(guān)課程實踐需求、又能充分培養(yǎng)學生在濱海濕地碳監(jiān)測、碳計量方面的科研素養(yǎng)和實踐能力的實踐教學改革，為促進地理學專業(yè)課程融合，減少重復(fù)教學，促進碳中和人才培養(yǎng)，做出嘗試與探討。

1 地理學專業(yè)課程中碳中和相關(guān)實踐教學內(nèi)容

以福建師范大學地理科學專業(yè)為例，培養(yǎng)計劃開設(shè)的自然地理學、植物地理學、土壤地理學、基礎(chǔ)生態(tài)學和環(huán)境科學概論等課程均有與碳中和背景相關(guān)的實踐教學環(huán)節(jié)，涉及的總學時為60 學時（見表1）。相關(guān)實踐內(nèi)容包括自然地理學課程中自然地理環(huán)境的碳循環(huán)，植物群落特征，土壤性質(zhì)的測定；植物地理學中植物的光合作用，植物群落特征觀測；土壤地理學中土壤剖面觀測、土壤理化性質(zhì)；基礎(chǔ)生態(tài)學中植物群落特征觀測，植物光合作用特征，生態(tài)系統(tǒng)碳分解，生態(tài)系統(tǒng)呼吸，生態(tài)系統(tǒng)凈二氧化碳交換量；環(huán)境科學概論中土壤環(huán)境監(jiān)測和大氣污染物。

表1 地理學專業(yè)課程碳中和相關(guān)實踐教學內(nèi)容

由表1 可見，不同課程間的實踐環(huán)節(jié)存在相似或重疊的情況，例如，植物群落特征觀測，在自然地理學、植物地理學、基礎(chǔ)生態(tài)學等課程中均有涉及；植物的光合作用實踐內(nèi)容，在自然地理學、植物地理學、基礎(chǔ)生態(tài)學等課程中交叉重疊；土壤性質(zhì)的測定則在自然地理學、土壤地理學、環(huán)境科學概論等課程中均有重復(fù)。

2 濱海濕地控制實驗系統(tǒng)

濱海濕地控制實驗系統(tǒng)由模擬濕地裝置、水位控制器、水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、土壤監(jiān)測系統(tǒng)和氣象監(jiān)測系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)對濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的模擬與監(jiān)測（見圖1）。其中，模擬濕地裝置由儲水池和中型實驗生態(tài)系兩部分組成；水位控制器由定時控制器和水泵組成；水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括水位計、鹽度計、pH／氧化還原電位（ORP）計、濁度計、電導(dǎo)率儀、溶解氧儀等儀器；土壤監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤含水量儀、pH 計、溫度計、氧化還原電位儀、電導(dǎo)率儀和土壤溶液取樣器等監(jiān)測與采樣儀器；氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要包括照度計，溫度計，濕度計，氣壓計等儀器。

圖1 濱海濕地控制實驗系統(tǒng)

濱海濕地控制實驗系統(tǒng)在開展控制條件下的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)過程、功能研究方面具有廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)具備開展濱海濕地實踐教學所需的模擬濕地水文、水質(zhì)、土壤、植被條件，同時可實現(xiàn)相關(guān)自然地理要素的動態(tài)監(jiān)測，具有一體化、系統(tǒng)化、集約化和可控性的優(yōu)勢。在碳中和背景下開展碳循環(huán)相關(guān)的地理學實踐教學改革中具有明顯的特色和優(yōu)勢。

3 碳中和背景下地理學實踐教學改革

地理學實踐教學改革，以濱海濕地控制實驗系統(tǒng)為平臺，以碳中和背景為核心，碳吸收、碳排放、碳儲存、碳分解為4 個基礎(chǔ)模塊，探究濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)各關(guān)鍵過程的時空變化特征，深化學生對濕地生態(tài)系統(tǒng)在實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略中的重要性的認識，提高學生對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究能力和動手操作能力，為碳中和戰(zhàn)略的實施培養(yǎng)地理學專門人才。實踐教學改革涉及的主要實踐內(nèi)容、實踐指標及實踐儀器設(shè)備如圖2所示。

圖2 依托濱海濕地控制實驗系統(tǒng)的地理學實踐教學架構(gòu)

3.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收

濕地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收實踐模塊主要實踐內(nèi)容包括植物光合作用和凈生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳交換（NEE）兩部分。在實踐教學中設(shè)計植物光合速率、植物光響應(yīng)曲線、其他植物光合參數(shù)、不同光強下NEE、植物生長參數(shù)等5 項指標的實踐操作。

在植物光合作用實踐內(nèi)容中，學生可掌握凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、大氣CO2濃度、氣孔限制值、水分利用效率等植物光合作用參數(shù)測定、植物光響應(yīng)曲線的擬合與繪制［13］等實踐技能。在凈生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳交換實踐內(nèi)容中，學生可掌握根據(jù)氣體濃度變化計算二氧化碳通量、設(shè)置不同光照強度測定NEE 及其對光合有效輻射的響應(yīng)［14］，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)呼吸的測定、通過數(shù)據(jù)擬合、估算日、月、年尺度下濕地生態(tài)系統(tǒng)NEE［15］的實踐技能。通過碳吸收實踐模塊的學習，學生還可掌握光合作用測定儀、二氧化碳分析儀、靜態(tài)箱、光合有效輻射儀等儀器設(shè)備的使用，熟悉濕地碳吸收的觀測方法，理解碳吸收在濕地碳匯功能中的重要作用，并進一步認識其在碳中和戰(zhàn)略中的作用。

3.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)碳排放

濕地生態(tài)系統(tǒng)碳排放實踐模塊主要包括生態(tài)系統(tǒng)呼吸和土壤呼吸兩部分實踐內(nèi)容。此項實踐內(nèi)容主要包含濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸、濕地土壤呼吸、土壤環(huán)境因子、濕地氣象因子等4 項指標的實踐操作。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的實踐內(nèi)容中，學生掌握的實踐技能包括通過靜態(tài)箱內(nèi)CO2濃度的變化率計算生態(tài)系統(tǒng)呼吸［14］、通過生態(tài)系統(tǒng)呼吸與土壤溫度擬合，計算日、月、年尺度下生態(tài)系統(tǒng)呼吸［15］和實驗過程中避免人為擾動、保持氣壓平衡、避免氣溫升高、保障氣密性、保證氣體混勻等實踐技能。在土壤呼吸的實踐內(nèi)容中，學生掌握的實踐技能包括：土壤呼吸圈安裝，土壤呼吸測定及其與溫度的擬合［16］，日、月、年尺度土壤呼吸速率的估算，氣溫、空氣濕度、氣壓等氣象因子和土壤pH、氧化還原電位、電導(dǎo)率、含水率的原位測定。通過碳排放實踐模塊的學習，學生還可掌握二氧化碳分析儀，靜態(tài)箱，土壤環(huán)境因子與氣象因子測定儀器的使用，熟悉濕地碳排放的組成及其觀測、計量手段，學習碳排放對濕地碳匯功能的負面影響，并進一步探索如何在碳中和背景下減少濕地碳排放。

3.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存

濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存實踐模塊包括植物碳庫［17］和土壤碳庫［18］兩部分實踐內(nèi)容。具體實踐指標涉及植物群落特征、植物碳密度和碳儲量、土壤碳密度和碳儲量、土壤不同形態(tài)碳含量、土壤基本理化性質(zhì)。

在植物碳庫的實踐內(nèi)容中，學生可掌握植物株高、密度、蓋度等群落特征測定、基于異速生長曲線的植物生物量估算、植物各器官碳含量測定、植物地上、地下碳庫的計算等實踐技能。在土壤碳庫實踐內(nèi)容中，學生可掌握土壤樣品采集、土壤容重測定、土壤有機碳含量測定、土壤鐵結(jié)合態(tài)有機碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳、溶解性有機碳含量的分析、土壤密度與碳儲量的計算、土壤氮磷和孔隙水陰陽離子的測定等實踐技能。通過碳儲存實踐模塊的學習，學生還可掌握碳氮元素分析儀，總有機碳分析儀，紫外分光光度計，連續(xù)流動分析儀，離子色譜儀等儀器設(shè)備的使用方法，了解濕地植物碳庫與土壤碳庫在濱海藍碳生態(tài)系統(tǒng)中的作用，認識濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要性。

3.4 濕地生態(tài)系統(tǒng)碳分解

濕地生態(tài)系統(tǒng)碳分解實踐模塊主要包括濕地土壤有機碳礦化［19］和凋落物分解［20］兩部分的實踐內(nèi)容，涉及的實踐指標包括：土壤有機碳礦化速率、土壤有機碳礦化途徑、土壤酶活性、凋落物分解速率、凋落物酶活性。

在濕地土壤有機碳礦化實踐內(nèi)容中，學生學習的相關(guān)技能包括：土壤厭氧培養(yǎng)法涉及的前處理、氣密性的控制、厭氧條件的控制和培養(yǎng)條件設(shè)置，土壤總有機碳礦化速率、硫酸鹽異化還原速率、鐵異化還原速率、甲烷產(chǎn)生速率等有機碳礦化速率與途徑的測定，土壤胞外酶活性測定。在濕地凋落物分解實踐內(nèi)容中，學生掌握的技能包括：凋落物的采集與前處理，分解袋的縫制、投放與回收，凋落物碳含量、凋落物質(zhì)量損失率、凋落物含水率、凋落物分解速率、凋落物水解酶活性的測定。通過濕地碳分解實踐模塊的學習，學生還可掌握氣相色譜儀、總有機碳分析儀、紫外分光光度計、碳氮元素分析儀、多功能酶標儀等儀器設(shè)備的使用方法和測試原理，明確濕地土壤有機碳礦化的主要影響因素及其對濕地碳匯功能的可能影響，了解植物凋落物分解在碳循環(huán)過程中的重要性。

4 碳中和背景下地理學實踐教學改革成果

碳中和背景下的地理學實踐教學改革吸納自然地理學、植物地理學、土壤地理學、環(huán)境科學概論和基礎(chǔ)生態(tài)學專業(yè)課程中與碳中和背景有關(guān)的碳循環(huán)實踐內(nèi)容。改革后將原來分散在5 門課程中60 學時的實踐內(nèi)容縮短為24 學時，分為4 個實踐模塊，每個實踐模塊為6 學時，有效地減少重復(fù)課時，促進課程融合，既滿足課程實踐教學需要，又提高了學生在碳核算，碳監(jiān)測，碳計量等方面的實踐能力和科研水平（見圖3）。

圖3 學生開展基于濱海濕地控制實驗系統(tǒng)的碳循環(huán)實踐學習場景

經(jīng)過課程團隊老師指導(dǎo)，本科生申請獲批國家級大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“濱海沼澤植物根系泌氧對根際鐵異化還原的影響及其機制”和省級大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“鹽水入侵對河口濕地有機碳礦化速率和途徑的影響”，此外還獲得10 余項校級大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目。

通過實踐教學改革，提高了學生參與科研實踐的熱情與能力，團隊指導(dǎo)本科生參與發(fā)表論文10 余篇，其中以第一作者發(fā)表論文2 篇，分別發(fā)表于《環(huán)境科學學報》和《福建師范大學學報（自然科學版）》。相關(guān)研究成果獲發(fā)明專利授權(quán)1項，實用新型專利授權(quán)10項。

團隊教師指導(dǎo)2 名本科生獲得保研資格，7 名考取研究生，分別進入復(fù)旦大學、中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、北京師范大學、華東師范大學、廈門大學、福州大學和福建師范大學等高校和科研院所深造。

5 結(jié)語

本課題以濱海濕地控制實驗系統(tǒng)為研究平臺，推動在碳中和背景下自然地理學、植物地理學、土壤地理學、環(huán)境科學概論和基礎(chǔ)生態(tài)學等相關(guān)專業(yè)課程融合，形成以碳中和為核心，碳吸收、碳排放、碳儲存、碳分解為模塊的“一心多點”實踐教學模式。課題在教學改革過程中探索出一些有益經(jīng)驗。

（1）跨課程整合實踐內(nèi)容，提高實踐效率與效果。整合地理學專業(yè)中與碳中和相關(guān)的實踐內(nèi)容，減少不同課程中重復(fù)的實踐環(huán)節(jié)，由60 學時優(yōu)化整合壓縮到24 學時，并通過統(tǒng)一實踐平臺，將各實踐內(nèi)容整合成統(tǒng)一的有機整體，有效節(jié)約了實踐資源，提高了實踐效率，取得良好效果。

（2）科研實踐與理論知識相結(jié)合，提高學生實踐與科研能力。利用生態(tài)定位站的實驗平臺，將科學實驗融入課程實踐教學中，學生在科研實踐中鍛煉了動手實踐能力、自我學習能力、團隊協(xié)作能力與實驗設(shè)計能力。在此基礎(chǔ)上，積極引導(dǎo)學生申報創(chuàng)新實踐項目，撰寫學術(shù)論文，申報專利。科研反哺教學，提高了學生的綜合素質(zhì)。

（3）國家戰(zhàn)略與教學改革相結(jié)合，培養(yǎng)碳中和專業(yè)人才。結(jié)合當前國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標，利用現(xiàn)有課程中碳循環(huán)相關(guān)教學內(nèi)容，將國家戰(zhàn)略與教學實踐深度融合，提高學生對所學專業(yè)在國家重大戰(zhàn)略實現(xiàn)中的作用的認識，可有效地提高學生的專業(yè)認同感與榮譽感。