周開勝

(蚌埠學院材料與化學工程學院,安徽蚌埠 233030)

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》明確提出：“重點擴大應用型、復合型、技能型人才培養(yǎng)規(guī)模”，“支持學生參與科學研究，強化實踐教學環(huán)節(jié)”。2015年10月24日,國務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設(shè)總體方案》?！半p一流”建設(shè)內(nèi)在地蘊涵著一流本科專業(yè)建設(shè)。開展本科生的綜合性研究型試驗，是提高學生探究問題和自主學習能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識,增強學生實踐能力,提升學生綜合素質(zhì)和鍛煉學生團隊協(xié)作精神的重要實踐教學方式。學生結(jié)合自己所學專業(yè)知識，充分利用現(xiàn)有實驗條件，通過文獻查閱、試驗設(shè)計、試驗操作和數(shù)據(jù)處理分析，激發(fā)學習興趣，調(diào)動學習的主動性和積極性。近年來，利用本科生的綜合性研究型試驗提高應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量日益受到高校的重視，東北大學[1]、華南農(nóng)業(yè)大學[2]、西安交通大學[3]、蚌埠學院[4]等高校十分重視本科生的綜合性研究型試驗教學。本文介紹一個針對環(huán)境科學專業(yè)本科生的綜合性研究型試驗。

1 試驗背景

隨著高教本科教育的迅速發(fā)展，提高學生的專業(yè)實踐能力和創(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項目，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和提高學生實踐能力的理想切入點，教師科研的新成果、新方法和新技術(shù)涉及學科知識點和技術(shù)要點多，學生在處理綜合性研究型試驗結(jié)果時，可培養(yǎng)其自主查閱相關(guān)文獻的能力和科研創(chuàng)新意識。因此，設(shè)計出適合不同學生個性差異和能力要求的、有助于學生個性化發(fā)展需要的綜合性研究型試驗項目顯得十分必要。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)科技進步，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題日益突出。作物土傳病原菌對許多作物造成嚴重損失，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)過幾年的探索，設(shè)計了針對環(huán)境科學專業(yè)學生的綜合性研究型試驗“氧化-還原反應在西瓜連作土壤改良中的應用”。該實驗是課題組教師在前期科研基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有試驗條件拓展而來。前期研究是“強還原土壤滅菌法防治西瓜連作障礙”，通過在待處理土壤樣品中添加有機物料(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 試驗目的

通過查閱相關(guān)文獻(重點查閱外文文獻)，了解強還原土壤滅菌法處理作物連作土壤的基本方法，包括有機物料及輔助添料的選擇、處理溫度設(shè)置、處理時間設(shè)定及盆栽試驗設(shè)計等，明確強還原土壤滅菌法作用機理。學生通過本實驗的設(shè)計和操作，可以鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識，熟悉強還原土壤滅菌法改良作物連作土壤的基本方法和原理，了解該實驗在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中的應用前景。

3 試驗原理

4 材料與方法

4.1 材料

取已連作3年的蚌埠學院西瓜試驗田土約7kg，用于實驗室內(nèi)土壤處理試驗。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年的西瓜試驗田土約540kg用于盆栽試驗(盆栽試驗對有機物料用量大，購買苜蓿粉作為有機物料，前期試驗已證實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(奧豪斯儀器有限公司)測土壤pH(水土比為2.5∶1(v/m)；DDS-307A電導率儀(上海佑科儀器儀表公司)測定土壤電導率(EC)(水土比為5∶1(v/m)。SPT-P-A系列恒溫生化培養(yǎng)箱(合肥達斯卡特科學器材有限公司)、立式壓力蒸汽滅菌器YXQ-LS-50G(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)、PWT-P75B恒溫培養(yǎng)箱(合肥達斯卡特科學器材有限公司)等。

4.3 可培養(yǎng)微生物分析

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

4.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0和Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

5 試驗內(nèi)容

5.1 試驗設(shè)計

5.1.1 室內(nèi)試驗

本試驗共設(shè)計16組，每組分設(shè)3個平行樣，每個土樣折合干土重100g，每組處理按如下設(shè)計添加物料。(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。通過該組試驗，指導學生如何為室外盆栽試驗優(yōu)選最適的試驗方法。

5.1.2 盆栽試驗

盆栽試驗分設(shè)對照(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個平行樣/組)，每個土樣折合干土重約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。試驗應選擇氣溫較高且相對穩(wěn)定的季節(jié)開展，要求一般在4月中旬至5月中旬開展土壤處理試驗，5月底6月初開始直播西瓜苗。

5.2 結(jié)果與討論

5.2.1 室內(nèi)試驗

室內(nèi)試驗結(jié)束后，指導學生用Excel 2007和SPSS 16.0軟件分析處理試驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表，用SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)差異顯著性進行分析。指導學生學會觀察各組處理pH變化與CK和OS相比有何特點，初步分析各組pH變化的機理。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)。通過對圖2分析，讓學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？指導學生閱讀相關(guān)文獻，初步了解土壤EC值是反映土壤理化性質(zhì)的常用指標之一，可用于指示土壤中水溶性離子相對含量。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。微生物試驗結(jié)束后，要求學生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表，指導學生通過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。RSD處理可使土壤養(yǎng)微生物數(shù)量發(fā)生較大變化，尤其對放線菌、真菌和尖孢鐮刀菌(FON)含量影響顯著，未檢測到(not detected，ND)放線菌的土樣有6個，真菌含量為ND的土樣有9個，F(xiàn)ON含量為ND的土樣有12個(圖3，圖4，圖5)。引導學生參考文獻，結(jié)合引起以土傳病害為主的作物連作障礙的主導因素，指導學生總結(jié)RSD處理西瓜連作土壤抑制FON和真菌的機理。

5.2.2 盆栽試驗

為驗證RSD改良連作土壤的可行性，將室內(nèi)試驗與已有文獻閱讀相結(jié)合，指導學生開展盆栽試驗。在盆栽試驗設(shè)計時，要求學生注意處理的時間段選擇、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)試驗一樣。室內(nèi)試驗是對機理的探討，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)計盆栽試驗時，要考慮到成本、處理效果、各組處理需要多少盆才符合試驗等，最后在老師的指導下設(shè)計出“5.1.2”的“盆栽試驗”設(shè)計方案。本文以2016年盆栽試驗為例，該盆栽試驗自2016年5月1日至5月21日，對盆栽西瓜試驗土壤進行處理，至6月初被處理土壤風干后盆栽西瓜直播苗，于8月中旬西瓜收獲結(jié)束。期間指導學生跟蹤觀察西瓜長勢和發(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 教學效果

本試驗包括查閱文獻、試驗設(shè)計、動手操作、數(shù)據(jù)處理與分析及撰寫小論文等環(huán)節(jié)。在教師指導下，學生獨立完成一個完整的科學研究過程。在學生開展試驗前，學生先參與教師的科研活動，教師給予學生一定的指導。在教師的指導下，學生查閱相關(guān)文獻，尤其是近年來發(fā)表的外文文獻，及時了解本試驗相關(guān)的前沿動態(tài)，將文獻閱讀與教師科研相結(jié)合，探究試驗方法及土樣處理的條件，逐步熟悉試驗操作，將環(huán)境學、土壤學、微生物學等學科基本知識運用于本試驗研究。后期學生選做該試驗時，先自行設(shè)計試驗方案，再在教師指導下進一步修改完善。完成本試驗除需具備環(huán)境科學知識外，還需對土壤學、微生物學等學科知識有所熟悉，因此能很好地拓展學生的學術(shù)視野，起到了試驗教學與科研訓練相結(jié)合的作用，在創(chuàng)新性應用型工程化人才培養(yǎng)方面可取得較好的實踐效果。

[1]張霞,徐燁,孫挺,等.綜合性大學公共基礎(chǔ)化學實驗教學模式探討[J].大學化學,2014,29(5):38-41.

[2]陳敏，張聲森，周家容，等.公共基礎(chǔ)化學開放實驗平臺的優(yōu)化建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索，2016，35(3)：229-231，254.

[3]郭俊青,李佳,呂國偉,等.甲基橙插層水滑石的制備及表征——一個大學化學開放性實驗設(shè)計[J].大學化學,2017,32(1):52-57.

[4]葉健,吳景梅,郭春燕,等.特殊形貌納米材料在離子選擇電極方面的應用[J].池州學院學報,2012,26(6):130-133.

[5]Prather MJ, McElroy MB, Wofsy SC. Reductions in ozone at high concentrations of stratospheric halogens[J]. Nature，1984,312(5991):227-231.

[6]Ristaino J B,Thomas W.Agriculture,methyl bromide, and the ozone hole:can we fill the gaps[J].Plant Disease,1997,81(9):964-977.

[7]Hewavitharana S S,Ruddell D,Mazzola M.Carbon source-dependent antifungal and nematicidal volatiles derived during anaerobic soil disinfestation[J].Eur J Plant Pathol,2014,140(1):39-52.

[8]Blok W M,Lamers J G, Termorshuizen A J, et al. Control of soilborne plant pathogens by incorporating fresh organic amendments followed by tarping[J]. Phytopathology,2000,90(3):253-259.

[9]Shinmura A.Causal agent and control of root rot of welsh onion[J].PSJ Soilborne Disease Workshop Report,2000,20:133-143.

[10]Ebihara Y,Uematsu S.Survival of strawberry-pathogenic fungi Fusarium oxysporum f.sp.Fragariae , Phytophthora cactorum and Verticillium dahliae under anaerobic conditions[J].J Gen Plant Pathol,2014,80(1):50-58.

[11]Overbeek L V，Runia W，Kastelein P,et al. Anaerobic disinfestation of tare soils contaminated with Ralstonia solanacearum biovar 2 and Globodera pallida[J].Eur J Plant Pathol,2014,138(2):323-330.

[12]Butler D M，Kokalis-Burelle N,Albano J P,et al.Anaerobic Soil Disinfestation (ASD) Combined with Soil Solarization as a Methyl Bromide Alternative: Vegetable Crop Performance and Soil Nutrient Dynamics[J].Plant Soil，2014,378(1-2):365-381.

[13]黃新琦,溫騰,孟磊,等.土壤厭氧還原消毒對尖孢鐮刀菌的抑制研究[J].土壤,2014,46(5):851-855.

[14]Momma N，Yamamoto K，Simandi P，et al. Role of organic acids in the mechanisms of biological soil disinfestation (BSD)[J].J Gen Plant Pathol,2006,72(4):247-252.

[15]Momma N,Kobara Y,Momma M.Fe2+and Mn2+,potential agents to induce suppression of Fusarium oxysporum for biological soil disinfestation[J].J Gen Plant Pathol,2011,77(6):331-335.

[16]Samaniego-Gaxiola J A,Balagurusamy N.Survival of soil-borne fungus Phymatotrichopsis omnivore after exposure to volatile fatty acids[J].J Gen Plant Pathol,2013,79(2):105-109.

[17]Katase M,Kubo C,Ushio S,et al.Nematicidal activity of volatile fatty acids generated from wheat bran in reductive soil disinfestation[J].Nematol Res,2009,39(2):53-62.

[18]彭雙,王一明,葉旭紅,等.土壤環(huán)境因素對致病性尖孢鐮刀菌生長的影響[J].土壤,2014,46(5):845-850.