空心菜用以富营养水体净化的可行性分析

车亚莉 赵知涵

（江苏省南京市第一中学 江苏南京 210001）

1 研究性学习的背景和选题

《普通高中课程方案（2017年版）》对课程设置开设科目的要求中有综合实践活动课程，包括研究性学习、军训、社会考察等，其中研究性学习6学分，需要完成2个课题研究或项目设计。教师开展与高中教材学习相关的课题研究，能帮助学生更好地达成核心素养。笔者所任教的学校周边秦淮河利用浮床生态工艺法净化污水，引发了学生的关注。结合苏教版《必修3·稳态与环境》中“化肥与池塘富营养化”的课题研究，学生查阅文献，了解到目前生态治理的手段存在一个问题：水生植物在生长季吸收了大量N、P元素，进入秋冬季，随着植物的死亡，N、P元素会再次被释放回环境中，从而引发二次污染。据此学生设想：在富营养化水体中栽培水生蔬菜，既可以解决富营养化问题，又可以增加农民的收入。学生的想法建立在对生态系统的稳态认识、对生物多样性的直接价值明确以及生态工程整体性原理的应用基础上，具备良好的责任担当。

2 研究性学习的目标和方向

高中阶段开展研究性学习的目标是培养学生的核心素养，核心素养的落实可以通过以探究为特点的主动学习来实现。研究性学习的过程往往就是探究性学习的过程，研究性学习的主要方向就是学习和掌握科学方法、科学思维，培养创新精神和实践能力。学生查阅文献了解到浮床栽培空心菜对养殖池塘水质有净化作用：在罗非鱼养殖池塘栽培空心菜，当浮床面积达到池塘面积的20%时，对池塘水体中TN、TP的去除率分别为46.57%、58.75%。在此基础上，能提出研究的方向是学生科学思维和创新精神的重要体现。教师指导学生结合文献运用生物学知识探究空心菜栽培与采收能否解决富营养化问题，学生设计的研究方案是利用三元复合肥（N-P2O5-K2O：15-15-15）配置一系列的N、P浓度梯度，模拟富营养化水体，探究空心菜在不同水体中的再生情况和生长差异，了解其耐受能力，通过生物量的积累和N、P吸收量的估算，了解其对富营养化水体的净化能力。

3 研究性学习的实施

3.1 培养液的配制

实验中以Ⅲ类水质中的N为最低处理浓度，之后逐步增加，直至物质量最高浓度为12/mg·L-1。以此换算出化肥的使用量以及同时加入系统的P浓度（表1）。

表1 初始培养液浓度设计与配制方法

3.2 空心菜的栽培和管护

空心菜去除顶部幼嫩部分和叶片，仅保留带有2～3个节的粗壮茎段。将茎段在低浓度“84”消毒液中浸洗20 min，再用流水冲洗干净。甩去水后，用吸水纸进一步去除表面水分，用电子天平称取每一个茎段的初始重量。

先用铝箔膜将装好培养液的塑料杯封口，再将空心菜茎段插入杯中，每杯插植2根。保证每个插植样本至少有1个节在液面下以备生根，有1个节在铝箔膜外面以备长芽。样本在人工光照培养架上进行培养：光照强度4 000±50 Lux，每天光照10 h，温度25±2℃。为防止培养架上不同位置光照不均匀可能带来的误差，将不同处理组样本打乱后随机摆放，并每天将中间区域的样本和边缘的样本调换位置。每天观察空心菜的生长情况，遇到腐烂或长霉的样本及时剔除。

3.3 空心菜N、P吸收量的计算

培养16 d后，收获所有培养材料。将植物再生的茎叶和根从原母茎上取下来，分别称量茎叶和根的生物量。

测量茎叶和根的N、P含量。以已知空心菜嫩茎叶、根的N、P含量和上述所得茎叶、根的生物量相乘，获得空心菜再生部分吸收的总N、P量。

空心菜P含量测定的实验步骤：①消解：将植物剪碎置于100 mL消解管中，加5 mL浓硫酸180℃消解至均匀液体状态，待消解管中无固体颗粒物质时加入20滴过氧化氢消解5 min，稍微冷却后加入15滴过氧化氢继续消解，之后加过氧化氢的量依次递减，至溶液无色透明。地上部（茎叶）定容至50 mL，地下部（根）定容至25 mL，4℃保存。②比色：取1 mL消解液于10 mL消解管中，加纯水至6 mL，加2滴二硝基酚，加物质量浓度为4 moL/L的氢氧化钠溶液，直至溶液黄色，再加入物质量浓度为2 moL/L的硫酸溶液一滴使黄色刚好褪去，加钼锑抗1 mL，加水定容至10 mL，摇匀，30 min后700 nm比色。

空心菜N含量测定的实验步骤：①同上述P消解方法。②比色：地上部取0.2 mL消解液于10 mL消解管中，地下部取0.4 mL消解液于10 mL消解管中，加物质量浓度为0.4 moL/L的氢氧化钠溶液1 mL；加氧化剂3 mL；加水定容至10 mL，摇匀，120℃氧化30 min后冷却至室温，210 nm比色。

4 研究性学习的结果与分析

4.1 空心菜的生长情况

空心菜茎段在本实验条件下再生能力很强，第4天发现有些样本在顶部小节处可看到明显的幼芽，有些样本在底部小节处出现新生根，呈白色。还发现有1个样本茎段的下端有明显腐烂迹象，及时将该样本剔除，防止污染培养液。第10天大部分样本都实现了再生，多数样本出现了至少一片展开叶，根系发达。第16天大部分样本较6天前进一步长大，但长势明显减缓，部分样本似呈停滞状态。少数样本母茎顶端出现枯萎现象，个别样本甚至新生茎叶也开始萎蔫。预测此时培养液中的营养已不足以支撑空心菜的生长，因此将空心菜全部采收。

4.2 不同富营养水体中空心菜的生长情况统计

空心菜茎段在本研究条件下的平均再生率达到76%（图1A），其中第三组N物质量浓度为4 mg·L-1和P物质量浓度为1.75 mg·L-1的环境中，空心菜的再生率最高，达到90%。低营养条件下，空心菜再生率随着N、P浓度的升高而上升，高营养条件下空心菜的再生率下降。如果一杯中有两株同时再生，则其中1株往往长势较好，另1株相对较弱。分析同杯中的两株可能构成竞争。为此，后续生物量和叶数、根数统计均以单杯为单位。水培空心菜的生物量主要集中在茎叶部分，茎叶生物量约占整个植株生物量的85%左右，根生物量只占15%左右（图1B、图1C）。因此总生物量随水体营养水平变化趋势和茎叶生物量基本一致。本实验中，空心菜最大茎叶生物量和总生物量出现在S4处理组（图1B、图1D）。其中S4茎叶生物量、总生物量均为S1处理组的1.4倍。营养浓度较高的S2、S3处理组茎叶生物量和总生物量也略高于S1处理组。但在最高浓度处理组S5茎叶生物量和总生物量反而比S4处理组分别下降了8%和7%。实验中空心菜再生叶片数平均为3.9片/杯，其中单杯叶片数最大值在S3处理组（图2A）。平均每杯再生空心菜都能长出9.8条新根（图2B），其中根数最多的样本出现在最低营养处理组S1，再生根数达到12.6条/杯。空心菜最大叶长和最大根长均出现在S2处理组（图2C、图2D）。

图1 不同富营养化水体中空心菜的再生率（A）、茎叶生物量（B）、根生物量（C）、总生物量（D）

图2 不同富营养化水体中空心菜的叶数（A）、根数（B）、最大叶长（C）、最大根长（D）

4.3 再生空心菜N、P吸收量

已知实验所用空心菜嫩茎叶的N、P含量分别为1.122 mg·g-1鲜重和0.591 mg·g-1鲜重；根的N、P含量分别为0.181 mg·g-1FW和0.436 mg·g-1FW（由合作大学实验室提供）。经与本实验所得各处理组茎叶、根生物量相乘，得各处理组再生空心菜N、P吸收量。

实验发现再生空心菜可以较好的吸收水体中的N、P。本实验条件下，空心菜对N、P的平均吸收量分别为2.060 mg/杯和1.085 mg/杯，N在空心菜中的积累量约为P的2倍（表2）。空心菜对N、P的吸收量随着水体富营养化程度的增加而升高，但最高营养处理组N、P吸收量有所下降。嫩茎叶是N、P的主要储存器官。

表2 再生空心菜N、P吸收量

4.4 分析与讨论

空心菜在水培环境下再生率很高，初始N、P物质量浓度分别为4 mg·L-1和1.75 mg·L-1情况下（S3组）可达到90%再生率，该条件下再生空心菜的单杯叶片数也最多。生物量积累最高的样本出现于初始N、P物质量浓度分别为8 mg/L和3.49 mg/L的处理组S4，此时初始N浓度已达V类水的2.7倍，而初始P浓度已达V类水的17.5倍。实验初始N、P物质量浓度分别为12 mg·L-1和5.24 mg·L-1的最高营养条件（S5组）下，空心菜长势较S4组略有下降，但依然保持较高的再生率和生物量积累。实验所设S3组N、P含量均已超过国家V类水标准，已处于极度富营养化状态，说明空心菜具有很好的耐污能力。再生空心菜的生物量积累主要集中在茎叶，吸收的N、P也主要富集于此，茎叶是采摘食用的部分，因而人们对空心菜的种植为水体过剩矿质元素的去除提供了契机。实验中每杯空心菜茎叶富集的N、P最高可达2.386 mg·杯-1和1.257 mg·杯-1。换而言之，只需1～2株再生空心菜生长16 d，即可吸收1 L以上Ⅳ类水中所有的N和6 L以上Ⅳ类水中所有的P。由此可见，空心菜对富营养化水体的净化能力非常强。

5 研究性学习的体会

生物学课程的根本任务是提高学生终身发展所需的生物学学科核心素养。在“空心菜用以富营养水体净化的可行性分析”研究性学习过程中，学生基于已有的生态工程认知，在生活情境中确定课题，通过查阅资料了解到目前富营养化水体的修复工程中，引种的一些水生观赏类花卉秋冬季衰退后N、P元素仍会回到水体中，因而起不到净化作用。据此，学生提出课题方向水生蔬菜进行富营养化水体治理，通过文献检索获得信息，制定研究计划、实施课题研究。研究过程中，学生带着问题去探究，坚持观察和记录，处理数据严谨细致，结合数据分析推理总结，并继续质疑和反思。回顾该研究性学习的全过程，收获的不仅是研究成果，学生的创新精神、实践能力、主动学习的愿望都得到提升，研究性学习可以培育学生的核心素养。