亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調查與觀測

李亭亭，余霜敏，莫家勇，張 敏，龔 苗，汪正祥

（1.區域開發與環境響應湖北省重點實驗室，武漢 430062；2.湖北大學資源環境學院，武漢 430062；3.神農架國家公園管理局，湖北神農架林區 442421；4.咸寧市林業科學院林業與生態研究所，湖北咸寧 437100）

0 引 言

植物地理學是研究植物與植被在地球表面分布規律及其與環境相互關系的學科，也是地理學、生態學、生物學等專業的核心課程［1］。認識陸地植被主要類型及其分布規律是植物地理學的最主要內容。一般來說，地球陸地植被系統中有兩類植被類型，一類為顯域性植被，如熱帶雨林、亞熱帶常綠闊葉林等；另一類為隱域性植被，如泥炭蘚沼澤植被、草甸等。植物地理學是一門實踐性很強的專業課程［2-3］，而泥炭蘚沼澤濕地植被作為隱域性植被的典型代表，對其進行調查與觀測有助于學生將理論知識與實踐緊密結合，提升學生對隱域性植被發育環境、群落結構和生態功能以及演替規律等的認知，強化濕地保護意識。然而，受水熱條件的限制，泥炭蘚沼澤植被在我國的亞熱帶山地僅有少量分布，且多發育于高海拔山間盆地或低洼處［4-5］。分布地域的遙遠偏僻導致較高的交通成本和較大的安全隱患；此外，野外調查及觀測實驗周期長，涉及的實驗設備昂貴，因此大規模組織學生開展這類實驗十分困難。

本實驗通過虛擬仿真技術，在實驗平臺上開展亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調查與觀測實驗。虛擬仿真是基于計算機、現代信息網絡、人工智能等相互融合而發展起來的模擬應用技術［6］。虛擬仿真實驗教學具有生動直觀、情境再現［7］、經濟省錢、安全可靠［8］等優越性，采用這種教學模式不僅可以打造安全的多樣化的教學環境［9］，降低實驗教學成本［10］，還可突破時間和空間的限制［11］，增強實驗教學的互動性［12］。

本項目以隱域性植被的代表——亞熱帶山地泥炭蘚沼澤植被為切入點，在前期野外調查獲取科學數據的基礎上，采用無人機航拍、全景攝影、Unity3D、Maya三維建模、3Dmax 等計算機仿真技術開發了“亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調查與觀測虛擬仿真實驗”。

1 虛擬仿真實驗項目的構建

1.1 虛擬仿真實驗的系統架構

本虛擬仿真實驗項目的開放運行依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐，兩者通過數據接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，盡可能幫助用戶實現自主的實驗，加強實驗項目的開放服務能力，提升開放服務效果［13］。

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺［14］。如圖1 所示，支撐項目運行的平臺及項目運行的架構共分為5 層，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。

圖1 虛擬仿真系統總體架構

1.2 虛擬仿真實驗的構建思路

亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調查與觀測虛擬仿真實驗項目以亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被為實驗對象，利用無人機航拍、全景攝影、Unity 3D、Maya三維建模、3Dmax 等技術，將泥炭蘚的形態構造、泥炭蘚濕地的生態功能、植被環境、群落物種組成及植被的演替等核心要素進行虛擬仿真，形成操作性、交互性、沉浸感極強的虛擬仿真項目。實驗主體部分包括6 個模塊：認識泥炭蘚、泥炭蘚濕地的生態功能、泥炭蘚濕地植被環境分析、構建泥炭蘚濕地植物群落、泥炭蘚濕地植被演替模擬、綜合考核與報告（見圖2）。學生通過虛擬仿真實驗操作，身臨其境觀察了解泥炭蘚的結構特征，認識泥炭蘚沼澤濕地植被的主要植物種類，理解泥炭蘚沼澤濕地植被的生態功能，掌握泥炭蘚沼澤濕地植被環境特征（包括地下水位、土壤剖面及泥炭沉積物）及其調查測量方法，歸納泥炭蘚沼澤濕地植被演替的規律，演繹和闡釋隱域性植被的分布規律及與環境的相互關系，并探討泥炭蘚沼澤濕地的保護策略。

圖2 虛擬仿真實驗知識體系組成

（1）認識泥炭蘚模塊。實驗首先設計讓學生認識泥炭蘚，通過閃爍突出（見圖3（a））、圖片文字搭配、顯微構造拼圖（見圖3（b））以及三維植株拆解（見圖3（c））等多種方式，強化學生對泥炭蘚植株（包括孢蒴、頭狀枝、垂懸枝、伸展枝、莖）典型形態特征的認知。在此基礎上，進一步觀察泥炭蘚兩種細胞的顯微結構和功能，理解泥炭蘚細胞結構與泥炭蘚植株含水量極高的相關性。最后讓學生觀察認知泥炭蘚植被景觀的四季變化特征。學生進入該模塊后，可以選擇30、10、5 m 3 種高度的航拍視角，在其中任一高度的航拍場景中自由切換視角進行全方位瀏覽，同時在此過程中完成對泥炭蘚三維植物認知、泥炭蘚形態構造認知、泥炭蘚器官識別、顯微構造拼圖、植被景觀季節變化的學習。該模塊的設計有助于學生從外部到內部、從宏觀到微觀、從春夏到秋冬，全方位地認識泥炭蘚。

圖3 泥炭蘚外觀形態與細胞顯微結構虛擬仿真實驗截圖

（2）泥炭蘚沼澤濕地植被生態功能模塊。在全方位認知泥炭蘚植物物種的基礎上，進一步設計實驗強化學生對泥炭蘚濕地重要生態功能的理解。該模塊包括泥炭蘚含水量測定和沉積物特征及年代測定兩個部分。學生可以在虛擬仿真的泥炭蘚濕地場景中，完成野外泥炭蘚植株和泥炭沉積物的采樣及保存；在虛擬仿真的實驗室場景中，完成泥炭蘚植株含水量的測定、沉積物特征描述以及年代測定。

在泥炭蘚植株野外采樣過程中，學生依據文字提示，從操作界面下方工具欄中依次選擇相應工具進行每一采樣點地理位置信息的讀取和記錄、采樣框的放置、采樣深度的測量、剪刀采樣、塑封袋包裝、冷藏箱保存等采樣步驟。隨后進入室內測定環節，學生依次進行泥炭蘚鮮樣稱重、烘箱干燥、泥炭蘚干樣稱重、含水量計算。該部分虛擬仿真實驗尤其詳細還原了泥炭蘚植株的野外采樣過程、烘箱及樣品烘干實驗的操作。

在泥炭剖面野外采樣過程中，學生依據文字提示，依次從操作界面下方工具欄中選擇相應工具進行沉積物采樣點地理位置信息的讀取和記錄（見圖4（a））、泥炭采樣器的安裝（見圖4（b））、采樣點地表植被的清除、采樣器采樣（見圖4（c））、樣品的保存（見圖4（d））等操作。該部分虛擬仿真實驗尤其詳細還原了泥炭采樣器的安裝以及泥炭剖面的采樣。隨后進入室內測定環節，學生依次進行沉積物剖面處理、剖面分層特征描述、剖面分層取樣、樣品處理、沉積物年代測定等操作。該部分實驗詳細還原了沉積物測年儀器——串聯加速器質譜儀，以及沉積物年代測定實驗操作。

圖4 泥炭剖面野外采樣過程虛擬仿真實驗

本模塊的設計有助于學生理解泥炭蘚強大的儲水能力和水源涵養功能，熟悉泥炭蘚沼澤濕地土壤的剖面特征，進而理解泥炭蘚濕地中沉積物可反演全球氣候變化的功能。

（3）泥炭蘚濕地植被環境分析模塊。在了解泥炭蘚濕地重要生態功能的基礎上，進一步設計實驗，促進學生對泥炭蘚濕地植被環境特征及其與濕地生態功能相關性的理解。該模塊主要包括泥炭蘚沼澤濕地地下水位監測實驗，學生在虛擬仿真的泥炭蘚濕地場景中，選取10 個樣點，通過土壤鉆孔（見圖5（a））、聚氯乙烯（PVC）管安裝（見圖5（b））、水位尺測量與記錄（見圖5（c），（d））、計算等步驟完成地下水位的測定。該部分虛擬仿真實驗尤其詳細還原了水位尺測定地下水位的操作步驟，并在外觀及聲音上均對水位尺進行了逼真還原。另外，樣品酸堿度（pH 值）測定實驗是自然地理實驗室常規實驗，在真實實驗室操作完成，體現出虛擬仿真實驗設計中“能實不虛”的基本原則［15］。通過本實驗，使學生掌握泥炭蘚沼澤濕地地下水位監測方法，熟悉泥炭蘚濕地植被環境特征，進而理解地下水位梯度、酸堿梯度是泥炭蘚沼澤濕地植被演替的關鍵環境因子。

圖5 地下水位測定過程虛擬仿真實驗截圖

（4）泥炭蘚濕地植被環境分析模塊。在掌握泥炭蘚濕地植被環境特征基礎上，繼續深化實驗設計，引導學生增加對泥炭蘚濕地植物群落組成獨特性的理解。該模塊虛擬仿真10 種濕地常見植物組成物種庫（7 種泥炭蘚濕地植物，3 種非泥炭蘚濕地植物），學生通過對每種植物生長習性和生境特征的描述來鑒別是否為泥炭蘚濕地植物，進而選擇正確物種，并可自由選擇物種生長位置及物種數量。通過物種、位置、數量三要素的組合配置，讓學生以游戲的方式來構建專屬自己的獨一無二的泥炭蘚植物群落（見圖6）。通過本實驗，使學生能夠鑒別泥炭蘚濕地植物群落內的常見種類并理解其在物種組成上和群落結構上的獨特性。

圖6 泥炭蘚濕地植物群落構建效果

（5）泥炭蘚濕地植被演替模擬模塊。在理解泥炭蘚濕地植物群落結構及物種組成的獨特性，以及濕地植被與其生態功能的密切相關之后，我們期望學生能夠更進一步的掌握泥炭蘚濕地植被的演替過程。然而，泥炭蘚濕地植被的演替時間較長，野外調查觀察到的只是演替的“靜態結果”，而無法看到演替的“動態過程”［16］。本項目通過虛擬仿真，以動畫形式展示了泥炭蘚沼澤濕地由富營養堿沼向貧營養酸沼逐漸發展的正向演替過程（見圖7），以及泥炭蘚沼澤濕地由貧營養酸沼向富營養堿沼發展的逆向演替過程，使學生對泥炭蘚沼澤濕地發育各個階段植被的變化狀況有更深入的了解，從而掌握泥炭蘚沼澤濕地植被的演替規律。此外，還設計了5 種影響泥炭蘚濕地植被演替的因素，學生點擊相應選項可觀看該因素影響泥炭蘚濕地植被演替的完整動態過程，讓學生了解泥炭蘚濕地形成和退化的主要原因，強化其對泥炭蘚濕地保護重要性的認知。

圖7 泥炭蘚濕地植被正向演替過程

（6）綜合考核與報告模塊。學生完成所有實驗模塊后，可查看當前實驗的操作情況和考核情況。隨后學生在線撰寫實驗報告，應包含實驗目的、原理、步驟、結果及數據分析。此部分分為系統自動生成部分和學生自主編輯部分。教師線上批閱實驗報告，并在網上發布成績。

2 虛擬仿真實驗在教學中的應用

該虛擬仿真實驗項目堅持“學生中心、問題導向、學科融合、創新實踐”的教學理念，按照“虛實結合、能實不虛、以虛補實”的原則，開創了線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。該項目促進學生自主式、探究式學習，調動了學生參與的積極性，提高了學生的創新與實踐能力。

2.1 問題式教學法的相關知識儲備

學生在學習完植物地理學中“主要陸地植被類型分述”部分的理論課程后，對顯域性植被與隱域性植被的不同環境條件與植被特征有一定的了解，以及能夠區分清楚隱域性植被中沼澤植被與草甸、水生植被。此外，學生對于泥炭蘚形態特征及泥炭蘚沼澤濕地植被物種組成特征、亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地的重要功能及其保護與恢復的重要意義、人為干擾條件下泥炭蘚沼澤濕地植被演替規律等均有了初步了解。這些知識儲備都為學生提出科學問題并正確回答問題奠定了基礎。

2.2 虛擬仿真實驗線上操作

采取線上形式進行虛擬仿真實驗教學，學生可在教師的引導下或根據虛擬實驗平臺中相關提示自主完成實驗，完成虛擬仿真實驗后系統直接給出評分。本實驗基于前期的知識儲備，學生操作虛擬仿真實驗軟件，從不同的角度進一步認識泥炭蘚形態結構、掌握亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被形成的環境條件、植被特征及演替規律，也為學生深入理解相關科學問題，特別是探究泥炭蘚沼澤濕地保護與全球氣候變化等前沿科學問題奠定了基礎。

2.3 線下討論交流與探究總結

在知識儲備、問題式教學、虛擬仿真實驗操作基礎上，教師可以針對“全球氣候變化下的泥炭蘚沼澤濕地保護”這一主題凝練討論專題，讓學生分小組討論，并以科研小論文的形式撰寫研究報告。專題討論旨在鍛煉學生文獻綜述、結果分析討論、實驗總結、新的科學問題凝練與提出等能力，進而培養學生的科研思維和創新實踐能力。

3 本虛擬仿真實驗的特色

（1）實驗設備和實驗對象的精準建模仿真。為使學生直觀地了解實驗設備、實驗對象及其他實驗要素，本虛擬實驗依照“實物”高精準建立相關模型。如核心實驗設備串列加速器質譜儀（圖8（a）），核心實驗對象泥炭蘚（圖8（b））和泥炭柱等。

圖8 實物（左）與虛擬模型（右）

（2）實驗操作流程的真實還原再現。本虛擬實驗的操作流程依據“實物實驗”進行真實還原，目標是學生完成虛擬實驗后能夠獨立進行實物實驗操作。如泥炭采樣器的安裝及采樣，地下水位測定。

（3）實驗數據與科研成果的良好融合驗證。本虛擬實驗以科研成果和科研數據為基礎構建虛擬實驗數據庫，虛擬實驗融合了科研探索，科研過程和成果能夠在虛擬實驗中得以重現和驗證。

（4）實驗設計思路循序漸進，不斷深化。實驗首先設計讓學生認識泥炭蘚沼澤濕地的關鍵物種——泥炭蘚，通過多種展示方式強化學生對泥炭蘚植株形態特征及微觀結構的認知，在此基礎上進一步設計泥炭蘚沼澤濕地植被生態功能模塊，加深學生對泥炭蘚濕地重要生態功能的理解。隨后繼續通過泥炭蘚濕地植被環境分析模塊促進學生對泥炭蘚濕地植被環境特征及其與濕地生態功能相關性的理解。在掌握泥炭蘚濕地植被環境特征基礎上，深化實驗，設計構建泥炭蘚濕地植物群落模塊，引導學生深刻理解泥炭蘚濕地植物群落組成的獨特性。最后通過泥炭蘚濕地植被演替模擬模塊，使學生掌握泥炭蘚沼澤濕地植被的演替規律，了解泥炭蘚濕地形成和退化的主要原因，強化其對泥炭蘚濕地保護重要性的認知。

4 結 語

虛擬仿真實驗以亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被的保護為主線，將泥炭蘚的形態構造、泥炭蘚濕地的生態功能等核心要素進行虛擬仿真，利用虛擬仿真技術將專業知識技能與信息技術深度融合，形成操作性、交互性、沉浸感極強的虛擬仿真項目。學生在虛擬實驗操作中，身臨其境觀察了解泥炭蘚的形態結構，認識泥炭蘚沼澤濕地植被的主要植物種類，理解泥炭蘚植被的生態功能，掌握泥炭蘚沼澤濕地植被的含水量、地下水位、土壤剖面及泥炭沉積物測年等調查測量方法，掌握泥炭蘚沼澤濕地植被演替的規律，探討泥炭蘚沼澤濕地的保護策略。本項目解決了實驗材料泥炭蘚難以采集獲取、原生生境難以到達的問題；同時，突破了時空與成本的限制，學生可以隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目進行自主學習。通過該方式，不僅使教學過程具備直觀性、主動性和趣味性，還能促進學生自主式、探究式學習，激發了學生的實驗興趣，提高學生的實驗操作技能，實現教學從講授型向研究型轉變，提高整體實驗教學質量。