不同土壤土质代谢产气研究

陈孟林 陈帮强 梁碧波

（贵州省遵义市第一中学 贵州遵义 563000）

1 探究背景

人教版高中生物学必修1《分子与细胞》用酵母菌为例探究了呼吸作用的代谢类别和过程，必修3《稳态与环境》介绍了土壤微生物对落叶的分解，选修1《生物技术实践》介绍了土壤微生物的分离。土壤湿润、有丰富的无机盐和枯枝落叶，这些条件为微生物的生长繁殖提供了碳源、氮源、水分、无机盐，所以土壤是微生物的乐园。土壤微生物代谢需要土壤空气（主要的气体是氧气，有的微生物可利用二氧化碳、氮气等），也会产生多种代谢气体（主要的气体是二氧化碳，有的微生物可产生氨气、甲烷等），当需要的气体与代谢释放的气体量不等时，就会引起土壤压强变化。不同土壤的理化特性有所不同，土壤微生物的种类、数量、代谢类别也有所不同，人为添加蔗糖为有机碳源，会大大增强利用蔗糖的微生物繁殖和代谢，引起土壤压强的变化会加大。针对教材中的这些理论知识，本文进行了“不同土壤土质的产气探究”，其目的是开发这些知识的探究性学习资源包，促进学生生物科学素养的培养。

2 探究过程

2.1 实验材料 A层黑壤菜园土（5～10 cm）、A层黄壤菜园土（5～10 cm）、A层黑壤果园土（5～10 cm）、A 层稻田土壤（5～10 cm）、河沙土（5～10 cm）。

2.2 实验用具 铁铲、直尺、剪刀、保鲜袋、标签、塑料瓶、量筒、电子天平、滤纸、CMYK色卡、气球、滴管。

2.3 实验试剂 溴麝香草酚蓝（滴定标准溶液，山东永安化验室出品，浓度为0.4%）、5%蔗糖、蒸馏水。

2.4 实验方法

1）取30个矿泉水塑料瓶，分别贴上1～10号标签，每组塑料瓶3个。

2）每组塑料瓶的处理见表1。

表1 不同组别土壤微生物产气探究统计表

3）用气球封住瓶口，48 h一轮，每轮观察气球直立或内陷的状态与塑料瓶的平均膨胀程度（等级描述硬度值为无变化0分、正压稍硬+1分、正压硬+2分、正压较硬+3分、正压很硬+4分、稍有负压-1分、负压明显-2分、负压严重-3分）。之后取下气球，分别在瓶口放上干燥滤纸，滴加溴麝香草酚蓝，10 s后观察记录滤纸CMYK值中Y的色卡值。连续观察5轮。

3 探究实验结果

实验结果见表2、图1、图2、图3。

表2 不同组别土壤微生物代谢产气探究实验结果统计表

图1 加蔗糖后不同土壤土质发酵4 d后的代谢产气实验结果

图2 加蔗糖后不同土壤土质发酵6 d后的代谢产气实验结果

图3 加清水后不同土壤土质发酵6 d后的代谢产气实验结果

4 结果分析

1）土壤微生物代谢产生二氧化碳量的分析：溴麝香草酚蓝是检测二氧化碳很敏感的指示剂，指示颜色为黄色，黄色越深，二氧化碳的浓度越大。将表2各组黄色色卡值绘制成图4。

从图4可以看出，图标右上方的5条线为不同土壤中加入了5%的蔗糖，Y值均为90，说明在蔗糖的作用下，不同农田土壤微生物利用蔗糖快速繁殖，代谢产生二氧化碳能力较强。图标右下方的5条线为土壤中加入的是蒸馏水，Y值明显减低，且有差异，说明在缺乏有机质的条件下，不同农田土壤的微生物种类、数量、代谢有所差异，代谢产生二氧化碳的能力明显减弱，不同土质代谢产气具有差异性。

图4 不同组别土壤微生物代谢产气探究黄色色卡值对比折线

2）土壤微生物代谢与土壤压强变化分析：将表2的每轮不同土质的硬度值制成图5。

图5 不同组别土壤微生物代谢产气探究土壤压强变化对比柱形图

从图5可以看出，有明显柱形条的是加糖的土壤，这些土壤在土壤微生物代谢中，第1轮硬度值大于0、第2轮有4种土壤大于0，第3轮、第4轮、第5轮小于0，说明在蔗糖参与下，发酵前期利用蔗糖的土壤微生物数量显著增加，代谢释放的气体多于耗气，瓶中土壤空气压强增大，出现瓶中空气正压的现象。中后期因代谢废物的积累和蔗糖的减少，土壤中微生物类别和代谢发生改变，代谢释放的气体少于耗气，瓶中土壤空气压强减少，出现瓶中空气负压的现象。加入蒸馏水的不同对照土壤硬度值均为0，瓶中气压保持稳定，说明土壤因缺少有机质后，不同土壤微生物的类别和代谢的变化不大。

5 结论与建议

5.1 结论 在土壤有机质缺乏时，土壤微生物代谢产气慢，土壤空气压强保持不变。在不同的农田土壤中添加蔗糖，利用蔗糖的土壤微生物会快速繁殖，代谢产生的二氧化碳显著增加，发酵前期，微生物代谢产气大于耗气，土壤空气为正压，中后期因代谢废物的积累和蔗糖的减少，土壤中微生物类别和代谢发生改变，代谢释放的气体少于耗气，土壤空气为负压。

5.2 建议 该实验方案操作简单、取材方便、效果显著，是一个十分理想的生物学探究性学习资源包。应用于教学中能拓宽高中生物学教材土壤微生物的知识内容,还能培养学生创新精神和实践能力。