氧化-還原反應(yīng)在西瓜連作土壤改良中的應(yīng)用

周開(kāi)勝

(蚌埠學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蚌埠 233030)

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》明確提出：“重點(diǎn)擴(kuò)大應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才培養(yǎng)規(guī)?！?，“支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”。2015年10月24日,國(guó)務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》?！半p一流”建設(shè)內(nèi)在地蘊(yùn)涵著一流本科專業(yè)建設(shè)。開(kāi)展本科生的綜合性研究型試驗(yàn)，是提高學(xué)生探究問(wèn)題和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí),增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力,提升學(xué)生綜合素質(zhì)和鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的重要實(shí)踐教學(xué)方式。學(xué)生結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)知識(shí)，充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)文獻(xiàn)查閱、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理分析，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。近年來(lái)，利用本科生的綜合性研究型試驗(yàn)提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量日益受到高校的重視，東北大學(xué)[1]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)[2]、西安交通大學(xué)[3]、蚌埠學(xué)院[4]等高校十分重視本科生的綜合性研究型試驗(yàn)教學(xué)。本文介紹一個(gè)針對(duì)環(huán)境科學(xué)專業(yè)本科生的綜合性研究型試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)背景

隨著高教本科教育的迅速發(fā)展，提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力已逐漸成為本科教育改革的重要方向。將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為本科生的綜合性研究型試驗(yàn)項(xiàng)目，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高學(xué)生實(shí)踐能力的理想切入點(diǎn)，教師科研的新成果、新方法和新技術(shù)涉及學(xué)科知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)要點(diǎn)多，學(xué)生在處理綜合性研究型試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可培養(yǎng)其自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)的能力和科研創(chuàng)新意識(shí)。因此，設(shè)計(jì)出適合不同學(xué)生個(gè)性差異和能力要求的、有助于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要的綜合性研究型試驗(yàn)項(xiàng)目顯得十分必要。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度逐步提高，以土傳病害為主的連作障礙問(wèn)題日益突出。作物土傳病原菌對(duì)許多作物造成嚴(yán)重?fù)p失，甚至絕收?，F(xiàn)有防治方法多受成本高、技術(shù)難度大和環(huán)保[5-6]要求等諸多因素限制，難以推廣普及。

課題組經(jīng)過(guò)幾年的探索，設(shè)計(jì)了針對(duì)環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生的綜合性研究型試驗(yàn)“氧化-還原反應(yīng)在西瓜連作土壤改良中的應(yīng)用”。該實(shí)驗(yàn)是課題組教師在前期科研基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件拓展而來(lái)。前期研究是“強(qiáng)還原土壤滅菌法防治西瓜連作障礙”，通過(guò)在待處理土壤樣品中添加有機(jī)物料(如作物秸稈粉末、紫花苜蓿粉)及輔助添料(如氨水、乙酸)、混勻、加水、密封，創(chuàng)造強(qiáng)烈土壤還原環(huán)境，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制土傳病原菌，防治西瓜連作障礙。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)(重點(diǎn)查閱外文文獻(xiàn))，了解強(qiáng)還原土壤滅菌法處理作物連作土壤的基本方法，包括有機(jī)物料及輔助添料的選擇、處理溫度設(shè)置、處理時(shí)間設(shè)定及盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)等，明確強(qiáng)還原土壤滅菌法作用機(jī)理。學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，可以鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉強(qiáng)還原土壤滅菌法改良作物連作土壤的基本方法和原理，了解該實(shí)驗(yàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用前景。

3 試驗(yàn)原理

4 材料與方法

4.1 材料

取已連作3年的蚌埠學(xué)院西瓜試驗(yàn)田土約7kg，用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)土壤處理試驗(yàn)。玉米秸稈(取自蚌埠市李樓鄉(xiāng)紅塔村)研磨成粉末后用作有機(jī)物料，氨水和冰乙酸作為輔助添料。此外，取已連作3年的西瓜試驗(yàn)田土約540kg用于盆栽試驗(yàn)(盆栽試驗(yàn)對(duì)有機(jī)物料用量大，購(gòu)買(mǎi)苜蓿粉作為有機(jī)物料，前期試驗(yàn)已證實(shí)苜蓿粉與玉米秸稈粉末用于RSD具有類似的效果)。

4.2 儀器設(shè)備

ST320pH計(jì)(奧豪斯儀器有限公司)測(cè)土壤pH(水土比為2.5∶1(v/m)；DDS-307A電導(dǎo)率儀(上海佑科儀器儀表公司)測(cè)定土壤電導(dǎo)率(EC)(水土比為5∶1(v/m)。SPT-P-A系列恒溫生化培養(yǎng)箱(合肥達(dá)斯卡特科學(xué)器材有限公司)、立式壓力蒸汽滅菌器YXQ-LS-50G(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)、PWT-P75B恒溫培養(yǎng)箱(合肥達(dá)斯卡特科學(xué)器材有限公司)等。

4.3 可培養(yǎng)微生物分析

細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基,真菌采用孟加拉紅培養(yǎng)基(沃凱國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),尖孢鐮刀菌采用改良的Komada’s培養(yǎng)基。平板涂布計(jì)數(shù)法，35℃恒溫培養(yǎng)。細(xì)菌培養(yǎng)2d后計(jì)數(shù)，放線菌、真菌、尖孢鐮刀菌培養(yǎng)4d后計(jì)數(shù)。

4.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0和Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

5 試驗(yàn)內(nèi)容

5.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

5.1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16組，每組分設(shè)3個(gè)平行樣，每個(gè)土樣折合干土重100g，每組處理按如下設(shè)計(jì)添加物料。(1)原土(OS，未添加任何物料,未加水，直接用于樣品分析)；(2)對(duì)照(CK，未添加任何物料，未加水，但與各處理樣品一并置入恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)2周)；(3)1%玉米秸稈(1%MS)；(4)3%玉米秸稈(3%MS)；(5)1%氨水(1%AW)；(6)3%氨水(3%AW)；(7)1%乙酸(1%Ac)；(8)3%乙酸(3%Ac)；(9)1%玉米秸稈+1%氨水(1%MS+1%AW)；(10)1%玉米秸稈+3%氨水(1%MS+3%AW)；(11)1%玉米秸稈+1%乙酸(1%MS+1%Ac)；(12)1%玉米秸稈+3%乙酸(1%MS+3%Ac)；(13)3%玉米秸稈+1%氨水(3%MS+1%AW)；(14)3%玉米秸稈+3%氨水(3%MS+3%AW)；(15)3%玉米秸稈+1%乙酸(3%MS+1%Ac)；(16)3%玉米秸稈+3%乙酸(3%MS+3%Ac)。各土樣分別裝入5號(hào)自封塑料袋內(nèi)，按上述方案添加物料混勻后，加水并密封，置入恒溫培養(yǎng)箱35℃恒溫培養(yǎng)2周。通過(guò)該組試驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生如何為室外盆栽試驗(yàn)優(yōu)選最適的試驗(yàn)方法。

5.1.2 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)分設(shè)對(duì)照(CK)、1%苜蓿粉(1%Al)、0.25%乙酸(0.25%Ac)、0.25%氨水(0.25%AW)、1%苜蓿粉+0.25%乙酸(1%Al+0.25%Ac)和1%苜蓿粉+0.25%氨水(1%Al+0.25%AW)等6組(30個(gè)平行樣/組)，每個(gè)土樣折合干土重約3kg。各組土樣分別按上述比例添加物料，混勻后裝入塑料袋內(nèi)，加水，排空密封，置于戶外處理3周后，晾干后栽植西瓜。試驗(yàn)應(yīng)選擇氣溫較高且相對(duì)穩(wěn)定的季節(jié)開(kāi)展，要求一般在4月中旬至5月中旬開(kāi)展土壤處理試驗(yàn)，5月底6月初開(kāi)始直播西瓜苗。

5.2 結(jié)果與討論

5.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生用Excel 2007和SPSS 16.0軟件分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表，用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)差異顯著性進(jìn)行分析。指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察各組處理pH變化與CK和OS相比有何特點(diǎn)，初步分析各組pH變化的機(jī)理。RSD處理西瓜連作土壤，與CK和OS相比，可使酸性土壤的pH值升高(添加乙酸及乙酸與玉米秸稈粉末的組合處理的土壤pH低于5.0例外)(圖1)。通過(guò)對(duì)圖2分析，讓學(xué)生思考為什么在添加氨水、乙酸及氨水、乙酸與玉米秸稈粉末的各組合處理土樣EC值均較CK和OS高？指導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，初步了解土壤EC值是反映土壤理化性質(zhì)的常用指標(biāo)之一，可用于指示土壤中水溶性離子相對(duì)含量。水溶性離子含量越高,EC值越大；反之，EC值越低。

圖1 土壤pH變化

圖2 土壤EC值變化

土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)和組成是反映土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)。微生物試驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)圖表分析各組處理土樣中4類微生物數(shù)量與CK和OS相比有何變化特點(diǎn)。RSD處理可使土壤養(yǎng)微生物數(shù)量發(fā)生較大變化，尤其對(duì)放線菌、真菌和尖孢鐮刀菌(FON)含量影響顯著，未檢測(cè)到(not detected，ND)放線菌的土樣有6個(gè)，真菌含量為ND的土樣有9個(gè)，F(xiàn)ON含量為ND的土樣有12個(gè)(圖3，圖4，圖5)。引導(dǎo)學(xué)生參考文獻(xiàn)，結(jié)合引起以土傳病害為主的作物連作障礙的主導(dǎo)因素，指導(dǎo)學(xué)生總結(jié)RSD處理西瓜連作土壤抑制FON和真菌的機(jī)理。

5.2.2 盆栽試驗(yàn)

為驗(yàn)證RSD改良連作土壤的可行性，將室內(nèi)試驗(yàn)與已有文獻(xiàn)閱讀相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展盆栽試驗(yàn)。在盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要求學(xué)生注意處理的時(shí)間段選擇、物料選取、各物料所用的比例，尤其要注意物料的使用量能否跟室內(nèi)試驗(yàn)一樣。室內(nèi)試驗(yàn)是對(duì)機(jī)理的探討，各處理物料用量高效果明顯，用量低效果可能不明顯。在設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn)時(shí)，要考慮到成本、處理效果、各組處理需要多少盆才符合試驗(yàn)等，最后在老師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出“5.1.2”的“盆栽試驗(yàn)”設(shè)計(jì)方案。本文以2016年盆栽試驗(yàn)為例，該盆栽試驗(yàn)自2016年5月1日至5月21日，對(duì)盆栽西瓜試驗(yàn)土壤進(jìn)行處理，至6月初被處理土壤風(fēng)干后盆栽西瓜直播苗，于8月中旬西瓜收獲結(jié)束。期間指導(dǎo)學(xué)生跟蹤觀察西瓜長(zhǎng)勢(shì)和發(fā)病情況，并定期拍照，西瓜死亡率和西瓜產(chǎn)量分別如圖4和圖5所示。

圖3 土壤微生物變化

圖4 植株死亡率

圖5 單株平均產(chǎn)量

5.2.3 討論

6 教學(xué)效果

本試驗(yàn)包括查閱文獻(xiàn)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作、數(shù)據(jù)處理與分析及撰寫(xiě)小論文等環(huán)節(jié)。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)完整的科學(xué)研究過(guò)程。在學(xué)生開(kāi)展試驗(yàn)前，學(xué)生先參與教師的科研活動(dòng)，教師給予學(xué)生一定的指導(dǎo)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，尤其是近年來(lái)發(fā)表的外文文獻(xiàn)，及時(shí)了解本試驗(yàn)相關(guān)的前沿動(dòng)態(tài)，將文獻(xiàn)閱讀與教師科研相結(jié)合，探究試驗(yàn)方法及土樣處理的條件，逐步熟悉試驗(yàn)操作，將環(huán)境學(xué)、土壤學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科基本知識(shí)運(yùn)用于本試驗(yàn)研究。后期學(xué)生選做該試驗(yàn)時(shí)，先自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，再在教師指導(dǎo)下進(jìn)一步修改完善。完成本試驗(yàn)除需具備環(huán)境科學(xué)知識(shí)外，還需對(duì)土壤學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)有所熟悉，因此能很好地拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，起到了試驗(yàn)教學(xué)與科研訓(xùn)練相結(jié)合的作用，在創(chuàng)新性應(yīng)用型工程化人才培養(yǎng)方面可取得較好的實(shí)踐效果。

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