学科实践是发展生物学科核心素养的重要途经

姜锶濠 桑艾莉 章熙东 高金涛

摘要 以南京紫金山不同海拔高度的土壤为研究对象，探究了土壤理化性质、土壤微生物生物量和土壤酶活性对海拔高度变化的响应。实验结果表明：随着海拔升高，土壤含水量和 pH 显著降低；土壤有机碳、总氮和总磷均随海拔升高而显著增加，而土壤速效养分如 DOC、有效氮和有效磷以及土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮和微生物生物量磷则随着海拔的升高而显著降低；土壤碳分解酶、氮分解酶和磷分解酶也随着海拔升高而活性降低。研究表明，土壤微生物生物量和土壤酶活性对海拔升高反应敏感，随着海拔高度增加，土壤含水量和温度的降低影响了微生物和酶的活性，使得土壤有机质分解缓慢，积累较多；而在低海拔处土壤酶活性较强，土壤有机质分解迅速，土壤有效养分含量提高。

关键词  南京紫金山海拔高度土壤酶活性土壤微生物量土壤养分

中图分类号 G633.91             文献标志码 B

随着我国新课程改革的不断深入，“学科实践”逐渐受到广泛关注。2016年9月发布的《中国学生发展核心素养》明确提出要培养学生的实践创新能力，重视“学生在日常活动、问题解决、适应挑战等方面所形成的实践能力、创新意识和行为表现”。2017年版的《普通高中生物学课程标准》（2020年修订）明确了新课程的基本理念之一为“教学过程重实践”，强调学科的实践性以发挥学科实践育人功能。生物学科的四大核心素养（生命观念、科学思维、科学探究、社会责任）是一种具有高度整合性、实践性、建构性的素养，这些特性决定了培养学科核心素养的路径之一，即学科实践——要高度重视学生的实践经历，力求为学生提供更多的动手实践机会。用科学的方法学习学科知识，才能发现学科的新观念、思维和价值，从而达到学科核心素养的培养，实现育人目标。学科实践，已成为学生的一种学习方式。

《生态系统的物质循环》是高中生物学选择性必修2的重要组成部分，内容涉及生态、环境问题，与学生实际生活联系密切。《新课标》建议，教学中，教师应通过引导学生开展有关的实验、调查和搜集资料等活动，特别是了解当地生态系统、保护当地环境的活动，提高环境保护意识。学生在学习中，了解到土壤微生物是生态系统中物质循环主要参与者，在土壤碳氮磷等养分转化和循环过程中具有不可代替的重要作用。因此，教学中开展“海拔高度对南京紫金山土壤微生物功能的影响”的学科实践活动显得很有意义。

1 研究背景

南京紫金山景区是著名的风景名胜区，属于北亚热带季风性气候，平均气温15.7℃，无霜期237 d，海拔448.9 m，景区内森林覆盖率达67.3%，主要为马尾松、黑松、国外松、栎类、枫香类和黄连木等树种及部分竹林。土壤为黄棕壤和黄褐土。在土壤研究中，土壤微生物量和土壤酶是两个重要的研究内容。土壤微生物量是指土壤中体积小于5000μm3的生物总量，但活的植物体如植物根系等不包括在内，是活的土壤有机质部分。土壤酶是指由土壤微生物或植物根系分泌的具有专一催化作用的蛋白质或者RNA，土壤酶活性被认为是微生物功能的重要表征指标之一。土壤微生物量和酶对生态环境变化具有“指示性”的敏感反应，是土壤环境（土壤理化性质、水热条件等）变化的灵敏生物指标。山地生态系统由于存在着垂直方向上的海拔变化，使得生态因子在相对较小的空间内发生系列转变，并由此引发山地区域小气候、土壤理化特征等的变化，因此成为研究土壤微生物和酶活性与土壤理化性质和水热条件等生态因子关联机制的热点区域。本文主要探究南京紫金山不同海拔梯度对土壤微生物生物量和酶活性的影响，以期为南京紫金山风景名胜区的生态环境保护和不同海拔微生物功能的变化研究提供科学依据。

2 研究方法

2.1  土壤样品采集

2020年10月，在江苏省南京市东郊紫金山（118.8E，32.0N）北麓由白马公园出发到山顶头驼铃景区，按照海拔420 m、220 m 和20 m，沿登山道路选取较少人为干扰处分别划定2m×2 m 小区，每个小区按照“S”型随机设置3个取样点，用直径3 cm 土钻取0-10cm 的土壤。将采集的土壤迅速带回实验室，去除石砾和可见根系等动植物残体，用于含水率和土壤酶活性的测定，剩下的土壤过2 mm 筛后分为两部分，一部分用于微生物生物量；另一部分土壤室温风干研磨后过0.149 mm 筛用于测定土壤有机碳等基本理化指标。

2.2 土壤基本理化性质测定

土壤有机碳、全氮用碳氮元素分析仪（Elementar? Vario MAX，德国）测定；土壤全磷用 HClO4—H2SO4消煮提取法；土壤有效碳（DOC，可溶性有机碳）用去离子水提取后用总有机碳分析仪（TOC-VCPH/CPN，日本）测定；土壤有效氮和有效磷用连续流动分析仪（Skalarsan++，荷兰）测定。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷测定

微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）采用熏蒸-硫酸鉀浸提法，用总有机碳分析仪（TOC- VCPH/CPN，日本）测定提取液中有机碳含量，用连续流动分析仪（Skalarsan++，荷兰）测定总氮含量。微生物生物量磷（MBP）用0.5 mol L-1 NaHCO3溶液提取，用连续流动分析仪（Skalarsan++，荷兰）测定。

2.4 土壤酶活性测定

土壤酶活性参照Saiya-Cork 和Sinsabaugh的方法提取和培养土壤中3种与碳、氮、磷循环相关的水解酶（β-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶），用多功能酶标仪（SpectraMax M5，美国）测定荧光度。

2.5 数据处理

数据经过 Microsoft Excel 2013软件处理后，采用 SPSS19.0软件进行方差分析（Duncan 法，α=0.05）和相关性分析（Pearson，α=0.05）；采用Canoco Software 5.0软件进行 RDA 分析（不符合正态分布数据进行对数转换）；绘图由Origin 9.0软件完成。

3 结果与分析

3.1  紫金山不同海拔高度对土壤理化性质的影响

由表1可知，随着海拔升高，土壤pH 显著升高，而土壤含水量则显著降低，由20 m 到220米和420 m 土壤水分分别减少18.1%和45.8%；气温采用20 m 气温，按照海拔每升高100米气温下降0.6℃的规律推算得到220 m 和420 m 处温度；土壤有机碳，全氮和全磷含量随着海拔升高而显著增加，而土壤速效养分却呈现与土壤全量养分相反的趋势，随着海拔的增加，土壤 DOC，有效氮和有效磷均显著降低。

3.2 紫金山不同海拔高度对土壤微生物生物量的影响

如图1所示，随着海拔的升高，MBC 和MBN 均显著降低，20 m 处的MBC 和MBN 含量分别为557.8 mg kg-1和72.9 mg kg-1隨着海拔增加，二者分别降低23.4%-60.7%和18.7%-29.9%，20 m 和220 m 的 MBP 并无显著差异，但均显著高于420米的MBP 含量。

3.3 紫金山不同海拔高度对土壤酶活性的影响

β-葡糖苷酶（βG）与纤维素分解的快慢密切相关，βG 是土壤有机碳变化的重要指标，被认为是土壤中主要的碳素获得酶之一。β- N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）主要参与分解土壤中的几丁质，被认为是主要的氮素获得酶之一。酸性磷酸酶（AP）活性的高低影响土壤有机磷的矿化，是酸性土壤中最重要的磷素获得酶。如图2所示，土壤C 源酶βG、N 源酶NAG 和P 源酶AP 均随着海拔升高而显著降低，而且随着海拔的的不断增加，三种土壤酶仍然呈显著降低趋势。

3.4紫金山土壤酶活性和土壤微生物生物量的关系

如图3所示，利用方程拟合土壤 C 源酶βG、N 源酶 NAG 和 P 源酶 AP 分别与对应的 MBC、MBN 和 MBP。结果表明，MBC，MBN 和 MBP 与对应的βG、NAG 和 AP 相关强烈，方程拟合系数 R2分别为0.82，0.88和0.74。即土壤微生物量可以较好预测相关酶活性的变化。

4 实验结论

土壤含水量、气温、pH和土壤养分状况是影响土壤微生物的主要因素。

（1）紫金山在低海拔处（20 m），温度，水分和pH适宜微生物生存；土壤微生物活动旺盛，分泌大量参与碳氮磷分解的酶（βG、NAG和AP），分解土壤中有机质，致使土壤有机碳，总氮和总磷减少，而速效养分DOC、有效氮和有效磷含量增加；而随着海拔的升高，水分和温度降低，pH升高，土壤微生物活动减弱，分解有机质缓慢，导致土壤有机碳，总氮和总磷积累增多。

（2）相对于较高海拔，低海拔土壤土壤微生物生物量更高，土壤酶活性更强，土壤微生物更活跃，上述结果可能为研究山地不同海拔土壤微生物功能的变化提供参考依据。

5 教学反思

学科实践活动是核心素养形成的路径，学生在实践中亲身经历知识产生的历程，把认知与行动、理论与实践、学科知识与日常生活有机融为一体。生物学实践活动是生物学学科课程的重要组成部分，对于全面实现课程目标有十分重要的意义。生物学实践活动的有效开展能够促使学生关注与生物学有关的现实问题并积极参与，对于丰富学生的实践经验、提升学生的合作意识以及提升学生解决实际问题的能力都有很大帮助，开展生物学学科实践活动也是开展跨学科实践的基础。在未来的教学中，仍需进一步探索将实践活动融入日常教学的有效途径，以更好落实立德树人的目标及切实促使学生核心素养的提升。“像学科专家一样思考与实践”，以学科实践活动为抓手，建立实践型的新型育人方式，这既是新课标的内在要求，也是落实新课标的必然要求。

参考文献：

[1]谷晓楠，贺红士，陶岩等.长白山土壤微生物群落结构及酶活性随海拔的分布特征与影响因子[J].生态学报，2017，37（24）：8374-8384.

[2]何容，王国兵，汪家社等.武夷山不同海拔植被土壤微生物量的季节动态及主要影响因子[J].生态学杂志，2009，28（3）：394-399.

[3]胡霞，蔡霜，廖金花等.峨眉山不同海拔森林土壤微生物和酶活性特征[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2016（1）：109-114.

[4]倪娟.“探究影响酶活性的因素”实验操作过程的再设计[J].中学生物学，2016，32（10）：51-53.

[5]崔允漷.学科实践：学科育人方式变革的新方向.[J].人民教育，2022（09）：30-32.

[6]刘艳.学科实践—作为一种学科学习方式[J].教育研究与实验，2022（01）：57-63.