生态系统氮素运转虚拟仿真实验的设计与开发

何 磊，陈 欣，唐建军，胡亮亮，程 磊

（1.浙江大学 国家级生物实验教学示范中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 生命科学学院，浙江 杭州 310058）

生态系统物质循环和能量流动是生态学研究的热点和难点[1-6]，也是生态学课程教学的重点内容[7-8]。为加深学生对生态系统中元素循环特征、运转途径等知识点的理解，我校生态学专业教学团队开设了基于稳定性同位素技术的生态系统氮素运转实验（以下简称“生态系统氮素循环实验”）[9]，该实验采用模拟自然生态系统和模型分析相结合的方式，定量跟踪分析元素在生物之间的转移过程和迁移率，有助于学生加深对生态系统内元素循环机制的理解。稳定性同位素技术是研究生态系统元素循环的重要手段，通过追踪稳定性同位素13C 和15N 可以精确分析其在迁移转化中的变化规律[10-15]。我校生态学专业教学团队开设的生态系统氮素循环实体实验，即是采用稳定性同位素15N 进行实验测定。但是，稳定性同位素技术应用于生态系统氮素循环实验通常包括以下环节：①15N 标记物质的制备。②15N 标记物质在每个运转环节的回收。③回收的15N 标记物质的研磨及样品微量称取。④样品上机（同位素质谱仪）分析。⑤计算。这些环节的实施面临着时间长、费用高、仪器昂贵稀少等问题，实验的开设受到时间、空间、仪器设备等的限制，只能小班进行，很难面向大量学生。

为解决时间、空间和仪器设备限制问题，进一步提高实验受益人数，激发学生学习兴趣，我校生命生态学教学团队依托学科优势和科研实力[16-17]，设计开发出基于稳定性同位素技术的生态系统氮素运转虚拟仿真实验系统。该系统不但突破了稳定性同位素15N测定的时间和仪器限制，使学生能够在短时间内掌握利用稳定同位素观测元素循环转移的原理和技术，而且很好地解决了时间与空间上的难题，有利于学生加强对生态系统元素循环的认识与理解，系统掌握生态学知识与技能，提高创新能力。

1 生态系统氮素运转虚拟仿真实验原理

1.1 氮素在稻鱼共生系统中的循环利用

稻鱼共生系统中输入的氮素（15N 标记的饲料氮）主要通过生物之间互补利用运转，从而实现生态系统氮素循环（图1）。通过测定15N 标记的饲料氮在田鱼、水稻植株、田间其他生物、土壤、水体的分布，即可计算15N 标记的饲料氮的运转去向和循环利用效率。本虚拟仿真实验利用3D、3DS MAX 系列信息技术，实现对标记15N 在稻鱼共生系统中运转过程的高度仿真。

图1 稻鱼共生系统氮素运转循环示意图

1.2 田鱼个体取食行为差异与氮素利用

稻鱼共生系统田鱼的取食行为略有差异（图2(a)），取食对象大致分为底栖动物、浮游植物、藻类3 类。个体取食行为的差异导致资源的充分利用，同位素生态位产生分离（图2(b)）。本虚拟仿真实验实现了对田鱼的取食行为的高度仿真。

图2 稻鱼共生系统田鱼的取食行为与资源利用

1.3 利用稳定性同位素技术研究元素的利用与去向

具有相同质子数和不同中子数的原子互称为同位素，可分为放射性同位素和稳定性同位素[18]。含有稳定性同位素的分子与正常的分子相比，拥有相同的化学性质，但由于质量稍大，物理性质有着一定的差异，因此在一些生物学过程中同位素的含量会发生变化，发生同位素分馏现象。图3 为稳定性同位素技术应用原理。生态学研究中可以利用不同物体稳定性同位素丰度的天然差异来研究食物链中生物的取食关系、动物食物来源等；也可以通过人为添加重同位素到目标物质中，达到追踪指示的作用。本虚拟仿真项目构建了利用稳定性同位素测定氮素运转的整套虚拟仿真实验。

图3 稳定性同位素技术应用原理

2 实验材料和设备

2.1 虚拟实验材料

（1）稻鱼共生系统虚拟材料：稻鱼共生生态系统野外场景虚拟；稻鱼共生系统构建过程中水稻栽插和田鱼放养的虚拟；水稻生长（苗期、分蘖期、幼穗分化期、抽穗扬花期、灌浆成熟期）和田鱼生长过程虚拟。

（2）稻鱼共生系统氮素15N 的运转虚拟材料：虚拟稻鱼共生系统氮素转运过程，包括15N 标记的饲料的输入、田鱼活动的观察、15N 在稻田的流向（如被水稻吸收、鱼取食利用）等。

（3）15N 测定虚拟材料：虚拟野外场景中水稻、鱼、土壤的取样和室内样品前处理等。

2.2 虚拟实验设备

（1）虚拟野外实验装置：样方、鱼活动观测摄像设备和系统、稳定性同位素标记设备、土壤采集工具。

（2）虚拟实验室仪器设备：电子天平、烘箱、行星式球磨仪、研磨机、超低温干燥箱、同位素质谱仪等实验仪器。

3 实验系统教学设计

本虚拟仿真实验系统以我校生命科学学院野外科研基地、全球重要农业文化遗产——浙江青田稻鱼共生生态系统为原型，制作了高度仿真的稻鱼共生生态系统，并设计了一套完整模拟生态系统中物种间氮素运转过程的实验。该系统实验部分由稻鱼共生生态系统的构建、稻鱼生态系统氮素随饲料的输入、田鱼活动的观察、水稻田鱼土壤的取样和样品前处理、稳定性同位素的测定与计算、稻鱼共生系统氮素利用分析6 个模块组成，采用学习和考核2 种模式（图4）。

图4 2 种实验模式及6 大模块

3.1 稻鱼共生生态系统的构建

该模块介绍了稻鱼共生生态系统的基本情况，包括该系统的历史、地形地貌、周边环境及相关科学研究进展等。为了让学生更好地了解实验相关知识，进入实验模块之前，学生需要完成相关题目（图5(a)）。随后学生进入虚拟野外场景，选择实验工具，根据实验提示，按照参数（密度、规格）进行水稻种植以及青田田鱼放养（图5(b)），构建稻鱼共生系统、水稻单作系统和田鱼单养系统（图5(c)）。

3.2 稻鱼生态系统氮素随饲料的输入

该模块中学生需要选择15N 标记的饲料并进行投喂，从而了解氮素输入生态系统的方式及过程。在该过程中学生需要根据田鱼大小计算投喂量并在正确的时间进行投喂，同时计算出该时期投喂的饲料中氮素含量（图6）。通过这一过程，强化了学生对于氮素在生态系统中迁移转化的理解，让元素在生态系统中的迁移转化变得更加形象和具体。

图6 15N 标记饲料的投放

3.3 田鱼活动的观察

该模块中学生需要对比稻鱼共生生态系统和田鱼单养系统中鱼的活动情况。首先，学生将在两个系统小区中建立样方，并在各个样方边架立摄像机对样方进行录像并收集储存录像（图7(a)），然后根据录像来观察田鱼的活动并提取数据（图7(b)）。学生通过提取数据进行分布多样性及分布均匀性指数的计算，从而了解不同时间段内田鱼在田间活动分布格局（图7(c)）。

3.4 水稻、田鱼、土壤的取样和样品前处理

该模块中学生在野外场景中对3 种样品进行取样，并将取到的样品带回实验室进行样品的前处理。

（1）水稻样品。水稻取样需从每株水稻的土表处剪断，用自来水冲去表面附着物，105 ℃杀青处理15 min，然后65 ℃烘干至恒重。每株水稻称量记录干 重后剪成长度约为1 cm 的碎片并混合均匀，最后取适量样品研磨后保存在塑封袋中备用（图8(a)）。

图7 田鱼活动的观察模块

（2）动物样品。水稻收获后，收取所有动物样品。系统中收获的鱼均暂养于清水中24 h 排净肠道内容物，随后转入–80 ℃冰箱保存，真空冷冻干燥。以每个小区为单位称量记录干重后剪碎混合均匀，然后取适量研磨后保存在塑封袋中备用（图8(b)）。

（3）土壤样品。在水稻插秧之前和动物收取之后，分别对每个小区表层土（10 cm）进行5 点取样，混合均匀，风干后碾压磨细过100 目筛，保存在塑封袋中备用（图8(c)）。

图8 水稻、田鱼、土壤的取样和样品前处理模块

3.5 稳定性同位素的测定与计算

该模块中学生对处理好的土壤、田鱼和水稻等样品进行微量称量、包样及上机测定等操作，掌握同位素样品的检测及分析。

（1）样品称重及包埋（微量）。学生在虚拟环境中左手戴一次性CPE 手套（接触样品），利用超微量天子天平（METTLER TOLEDO XP6）对样品进行称量，称好的样品放入直径4 mm、高6 mm 的锡纸杯中进行包埋并记录样品质量（图9(a)）。

（2）上机测定。同位素质谱仪（美国，Thermo Fisher Delta V Advantage）提前预热、检测，打开所需气体，测定参照的标准样品。将样品编号和质量录入软件中，选择测定分析方法，同时将样品按顺序加入自动进样器进行测定（图9(b)）。

（3）计算。样品中15N 含量计算公式见式（1）[19]，其中数据由同位素质谱仪直接测得。

其中，w(N)为样品总氮含量，R为样品的重同位素（15N）与轻同位素（14N）的丰度比。

图9 稳定性同位素的测定与计算模块

3.6 稻鱼共生系统氮素利用分析

该模块学生将测定的结果代入相应的公式，计算出稻鱼共生系统中氮素在各个生物体中的含量，分析氮素在稻鱼共生生态系统的迁移规律（图 10(a)）。同时，根据数值完成稻鱼系统中氮素迁移的模式图（图10(b)）。计算公式如下[20]：

式中：a为水稻吸收的环境中的N 对水稻地上部分总N 量的贡献率；b为饲料N 对水稻地上部分总N 量的贡献率；δRM(15N)为水稻单作处理下水稻的15N 同位素千分差值；δfeed(15N)为15N 标记饲料的15N 同位素千分差值；δRFS(15N)为水稻和水产动物共作处理下水稻的同位素千分差值。

图10 稻鱼共生系统氮素利用分析模块

4 虚拟仿真实验系统操作流程

（1）学生进入虚拟仿真系统，根据教师讲解及视频学习了解实验目的、实验原理，熟悉和巩固相关概念，随后进入虚拟实验场景，了解整个虚拟仿真实验包含的内容及模块。

（2）项目中设计了一个教师的角色，学生进入实验场景后，通过教师的指导与提示，进行虚拟实验的操作。通过学习模式的虚拟实验场景使学生了解稻鱼生态系统概貌、水稻生长不同阶段、田鱼取食活动等内容；通过相关实验过程使学生掌握水稻种植密度和规格、鱼取食行为、水稻、鱼和土壤样品前处理、稳定性同位素氮的测定以及稻鱼共生系统氮素利用分析等。

（3）学生进入考核模式进行完整实验，完成相关习题，平台自动记录学生提交的统计数据。

（4）学生从平台下载数据，并进行统计分析，撰写报告并提交。

（5）教师根据学生提交的原始数据和实验报告给出成绩。

5 结语

本虚拟仿真实验系统以稻鱼共生系统氮素迁移定量跟踪的实体实验为基础，融合了科研项目的研究成果，增加了稻鱼生态系统的构建、田鱼取食活动观察及氮素走向过程观察等方面的实验内容，促进了科研与教学的有机融合，拓宽了本科实验教学的深度和广度。此外，该虚拟仿真系统充分利用信息化技术，打破课堂与实践壁垒，将课堂上晦涩难懂的概念、难以一次性观察到的现象与野外实际相结合，以虚补实，为实体实验教学提供了虚拟素材，巩固了实体教学。“虚实结合、以虚促实”的教学方式激发了学生探索大自然的激情，提高了学生的学习效率和创新能力。