氧化-还原反应在西瓜连作土壤改良中的应用

周开胜

(蚌埠学院材料与化学工程学院,安徽蚌埠 233030)

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)》明确提出：“重点扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模”，“支持学生参与科学研究，强化实践教学环节”。2015年10月24日,国务院印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》。“双一流”建设内在地蕴涵着一流本科专业建设。开展本科生的综合性研究型试验，是提高学生探究问题和自主学习能力，培养学生创新意识,增强学生实践能力,提升学生综合素质和锻炼学生团队协作精神的重要实践教学方式。学生结合自己所学专业知识，充分利用现有实验条件，通过文献查阅、试验设计、试验操作和数据处理分析，激发学习兴趣，调动学习的主动性和积极性。近年来，利用本科生的综合性研究型试验提高应用型人才培养质量日益受到高校的重视，东北大学[1]、华南农业大学[2]、西安交通大学[3]、蚌埠学院[4]等高校十分重视本科生的综合性研究型试验教学。本文介绍一个针对环境科学专业本科生的综合性研究型试验。

1 试验背景

随着高教本科教育的迅速发展，提高学生的专业实践能力和创新能力已逐渐成为本科教育改革的重要方向。将教师的科研成果转化为本科生的综合性研究型试验项目，是培养学生创新能力和提高学生实践能力的理想切入点，教师科研的新成果、新方法和新技术涉及学科知识点和技术要点多，学生在处理综合性研究型试验结果时，可培养其自主查阅相关文献的能力和科研创新意识。因此，设计出适合不同学生个性差异和能力要求的、有助于学生个性化发展需要的综合性研究型试验项目显得十分必要。随着我国经济发展和农业科技进步，农业生产集约化程度逐步提高，以土传病害为主的连作障碍问题日益突出。作物土传病原菌对许多作物造成严重损失，甚至绝收。现有防治方法多受成本高、技术难度大和环保[5-6]要求等诸多因素限制，难以推广普及。

课题组经过几年的探索，设计了针对环境科学专业学生的综合性研究型试验“氧化-还原反应在西瓜连作土壤改良中的应用”。该实验是课题组教师在前期科研基础上，结合现有试验条件拓展而来。前期研究是“强还原土壤灭菌法防治西瓜连作障碍”，通过在待处理土壤样品中添加有机物料(如作物秸秆粉末、紫花苜蓿粉)及辅助添料(如氨水、乙酸)、混匀、加水、密封，创造强烈土壤还原环境，调节土壤理化性质，改善土壤结构，抑制土传病原菌，防治西瓜连作障碍。

2 试验目的

通过查阅相关文献(重点查阅外文文献)，了解强还原土壤灭菌法处理作物连作土壤的基本方法，包括有机物料及辅助添料的选择、处理温度设置、处理时间设定及盆栽试验设计等，明确强还原土壤灭菌法作用机理。学生通过本实验的设计和操作，可以巩固专业基础知识，熟悉强还原土壤灭菌法改良作物连作土壤的基本方法和原理，了解该实验在农业生产实践中的应用前景。

3 试验原理

4 材料与方法

4.1 材料

取已连作3年的蚌埠学院西瓜试验田土约7kg，用于实验室内土壤处理试验。玉米秸秆(取自蚌埠市李楼乡红塔村)研磨成粉末后用作有机物料，氨水和冰乙酸作为辅助添料。此外，取已连作3年的西瓜试验田土约540kg用于盆栽试验(盆栽试验对有机物料用量大，购买苜蓿粉作为有机物料，前期试验已证实苜蓿粉与玉米秸秆粉末用于RSD具有类似的效果)。

4.2 仪器设备

ST320pH计(奥豪斯仪器有限公司)测土壤pH(水土比为2.5∶1(v/m)；DDS-307A电导率仪(上海佑科仪器仪表公司)测定土壤电导率(EC)(水土比为5∶1(v/m)。SPT-P-A系列恒温生化培养箱(合肥达斯卡特科学器材有限公司)、立式压力蒸汽灭菌器YXQ-LS-50G(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)、PWT-P75B恒温培养箱(合肥达斯卡特科学器材有限公司)等。

4.3 可培养微生物分析

细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,放线菌采用高氏1号培养基,真菌采用孟加拉红培养基(沃凯国药集团化学试剂有限公司),尖孢镰刀菌采用改良的Komada’s培养基。平板涂布计数法，35℃恒温培养。细菌培养2d后计数，放线菌、真菌、尖孢镰刀菌培养4d后计数。

4.4 数据分析

采用SPSS 16.0和Excel 2007软件进行数据统计分析。

5 试验内容

5.1 试验设计

5.1.1 室内试验

本试验共设计16组，每组分设3个平行样，每个土样折合干土重100g，每组处理按如下设计添加物料。(1)原土(OS，未添加任何物料,未加水，直接用于样品分析)；(2)对照(CK，未添加任何物料，未加水，但与各处理样品一并置入恒温培养箱培养2周)；(3)1%玉米秸秆(1%MS)；(4)3%玉米秸秆(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%玉米秸秆+1%氨水(1%MS+1%AW)；(10)1%玉米秸秆+3%氨水(1%MS+3%AW)；(11)1%玉米秸秆+1%乙酸(1%MS+1%Ac)；(12)1%玉米秸秆+3%乙酸(1%MS+3%Ac)；(13)3%玉米秸秆+1%氨水(3%MS+1%AW)；(14)3%玉米秸秆+3%氨水(3%MS+3%AW)；(15)3%玉米秸秆+1%乙酸(3%MS+1%Ac)；(16)3%玉米秸秆+3%乙酸(3%MS+3%Ac)。各土样分别装入5号自封塑料袋内，按上述方案添加物料混匀后，加水并密封，置入恒温培养箱35℃恒温培养2周。通过该组试验，指导学生如何为室外盆栽试验优选最适的试验方法。

5.1.2 盆栽试验

盆栽试验分设对照(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组(30个平行样/组)，每个土样折合干土重约3kg。各组土样分别按上述比例添加物料，混匀后装入塑料袋内，加水，排空密封，置于户外处理3周后，晾干后栽植西瓜。试验应选择气温较高且相对稳定的季节开展，要求一般在4月中旬至5月中旬开展土壤处理试验，5月底6月初开始直播西瓜苗。

5.2 结果与讨论

5.2.1 室内试验

室内试验结束后，指导学生用Excel 2007和SPSS 16.0软件分析处理试验数据，将数据转化成图表，用SPSS 16.0软件对数据差异显著性进行分析。指导学生学会观察各组处理pH变化与CK和OS相比有何特点，初步分析各组pH变化的机理。RSD处理西瓜连作土壤，与CK和OS相比，可使酸性土壤的pH值升高(添加乙酸及乙酸与玉米秸秆粉末的组合处理的土壤pH低于5.0例外)(图1)。通过对图2分析，让学生思考为什么在添加氨水、乙酸及氨水、乙酸与玉米秸秆粉末的各组合处理土样EC值均较CK和OS高？指导学生阅读相关文献，初步了解土壤EC值是反映土壤理化性质的常用指标之一，可用于指示土壤中水溶性离子相对含量。水溶性离子含量越高,EC值越大；反之，EC值越低。

图1 土壤pH变化

图2 土壤EC值变化

土壤微生态结构和组成是反映土壤性质的重要指标。微生物试验结束后，要求学生将数据转化成图表，指导学生通过图表分析各组处理土样中4类微生物数量与CK和OS相比有何变化特点。RSD处理可使土壤养微生物数量发生较大变化，尤其对放线菌、真菌和尖孢镰刀菌(FON)含量影响显著，未检测到(not detected，ND)放线菌的土样有6个，真菌含量为ND的土样有9个，FON含量为ND的土样有12个(图3，图4，图5)。引导学生参考文献，结合引起以土传病害为主的作物连作障碍的主导因素，指导学生总结RSD处理西瓜连作土壤抑制FON和真菌的机理。

5.2.2 盆栽试验

为验证RSD改良连作土壤的可行性，将室内试验与已有文献阅读相结合，指导学生开展盆栽试验。在盆栽试验设计时，要求学生注意处理的时间段选择、物料选取、各物料所用的比例，尤其要注意物料的使用量能否跟室内试验一样。室内试验是对机理的探讨，各处理物料用量高效果明显，用量低效果可能不明显。在设计盆栽试验时，要考虑到成本、处理效果、各组处理需要多少盆才符合试验等，最后在老师的指导下设计出“5.1.2”的“盆栽试验”设计方案。本文以2016年盆栽试验为例，该盆栽试验自2016年5月1日至5月21日，对盆栽西瓜试验土壤进行处理，至6月初被处理土壤风干后盆栽西瓜直播苗，于8月中旬西瓜收获结束。期间指导学生跟踪观察西瓜长势和发病情况，并定期拍照，西瓜死亡率和西瓜产量分别如图4和图5所示。

图3 土壤微生物变化

图4 植株死亡率

图5 单株平均产量

5.2.3 讨论

6 教学效果

本试验包括查阅文献、试验设计、动手操作、数据处理与分析及撰写小论文等环节。在教师指导下，学生独立完成一个完整的科学研究过程。在学生开展试验前，学生先参与教师的科研活动，教师给予学生一定的指导。在教师的指导下，学生查阅相关文献，尤其是近年来发表的外文文献，及时了解本试验相关的前沿动态，将文献阅读与教师科研相结合，探究试验方法及土样处理的条件，逐步熟悉试验操作，将环境学、土壤学、微生物学等学科基本知识运用于本试验研究。后期学生选做该试验时，先自行设计试验方案，再在教师指导下进一步修改完善。完成本试验除需具备环境科学知识外，还需对土壤学、微生物学等学科知识有所熟悉，因此能很好地拓展学生的学术视野，起到了试验教学与科研训练相结合的作用，在创新性应用型工程化人才培养方面可取得较好的实践效果。

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