羅福海 陳能訓 向冠華 王思源 莊紫穎 程克凡

（高臺縣第一中學 甘肅高臺 734300）

STEM教育是培養(yǎng)學生科學、技術、工程和數(shù)學綜合素養(yǎng)的教育，旨在培養(yǎng)綜合性人才。STEM教育通過對問題的生成、探究、解決、運用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。本調查研究的開展就是結合現(xiàn)有的生物學課程，開發(fā)綜合性的STEM 實踐活動，提升學生STEM 素養(yǎng)。

隨著社會的發(fā)展和國家生態(tài)文明建設的提出，人們逐漸意識到保護環(huán)境的重要性，特別是濕地、森林、海域都是大自然饋贈給人類的寶藏，需要人們保護和及時監(jiān)測污染的發(fā)生。甘肅省張掖市高臺縣位于河西走廊中部，黑河中游下段。高臺縣黑河濕地國家級自然保護區(qū)以黑河為主體，沿岸有大小水庫14 座，水域、沼澤、灘涂星羅棋布，濕地類型多樣，濕地資源豐富。

土壤中的生物類群很多，其中原生動物——纖毛蟲具有豐富的種類多樣性和巨大的生物量，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有十分重要的地位。對環(huán)境變化的反映，纖毛蟲的靈敏性比其他生物更高，環(huán)境條件的變化會導致纖毛蟲群落的組成和結構迅速發(fā)生變化，這些特征使其更利于成為土壤環(huán)境的指示生物。因此，研究土壤生物種群的變化，并由此探討土壤污染的生物監(jiān)測技術及土壤環(huán)境質量的生物評價和預報系統(tǒng)，纖毛蟲是最理想的研究 對象［1］。

以往研究多集中在研究水體中的纖毛蟲，在水質監(jiān)測中已有一些應用，但與在水體環(huán)境監(jiān)測中獲得廣泛應用的水生纖毛蟲相比，土壤纖毛蟲用于環(huán)境監(jiān)測才剛起步［2］。本文通過研究高臺縣濕地保護區(qū)土壤纖毛蟲的物種組成、群落結構，探討濕地對土壤纖毛蟲群落的影響及與環(huán)境質量的生物評價和預報系統(tǒng)。用生物監(jiān)測的方法評價該地區(qū)土壤的環(huán)境，為該地區(qū)制定有效的土壤環(huán)境改善措施，提高濕地生態(tài)品質，發(fā)展綠色產業(yè)經濟提供基礎和資料。

1 材料和方法

1.1 采樣設置和采樣 在高臺縣的濕地土壤區(qū)設置采樣點，另在附近選擇自然環(huán)境條件與濕地樣點類似的土壤區(qū)設置對照樣點。采樣點海拔1 260～3 140 m，土壤溫度1～5℃，濕度60%～70%，pH=7.2～7.8。

在濕地河岸區(qū)內選取3 個采樣點，在每個采樣點的周邊面積約20 m2的范圍內，用1.5 m 圓筒形采樣器依五點取樣法和等距取樣法采集15個0～15 cm 土壤層土樣，同時在自然環(huán)境條件與濕地樣點類似的土壤對照樣點采集5 個0～15 cm土壤層土樣。將40 份（表層和深層各20 份）土樣充分混勻，帶回實驗室倒入白瓷盤，自然風干。

1.2 室內工作方法

1）定性研究方法：采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”在約25℃的溫度下，對土壤中的纖毛蟲進行培養(yǎng)。稱取3 g 土壤均勻置于Ⅰ號培養(yǎng)基和Ⅱ號培養(yǎng)基的平板，加蒸餾水至剛要淹沒土壤，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 個月。在培養(yǎng)過程中，定期補充蒸餾水，至半淹沒狀態(tài)，并保持較高的培養(yǎng)箱內空氣濕度。培養(yǎng)后第4 天、第7 天、第11 天、第20 天和第28 天鏡 檢［3］。

2）鑒定技術包括活體觀察和染色制片法，固定染色技術參照Fernandez-Galiano 的蛋白銀染色法。根據(jù)參考文獻鑒定物種，分類系統(tǒng)采用Levine等［3］的分類系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及優(yōu)勢類群的劃分

1）群落相似性。根據(jù)Jaccaed 共同系數(shù)公式q=c／（a+b-c），計算樣點土壤和對照土壤中纖毛蟲群落相似系數(shù)；其中q為相似性系數(shù)，a為樣點土壤中纖毛蟲的種類數(shù)，b為對照土壤中的纖毛蟲種群數(shù)，c為二者的共同系數(shù)。q值在0.75～1.0范圍為極為相似，在0.50～0.75 范圍為中等相似，在0.25～0.50 范圍為中等不相似，在0～0.25 范圍為極不相似。

2）污生指數(shù)。采用文獻中Pantle 等提出的污生指數(shù)公式Si=∑Sh／∑h。式中Si為各樣點的污生指數(shù)，S為不同種類的污生指數(shù)分值，從寡污種到多污種其分值為1～4，h為出現(xiàn)頻率，其值為1～4［4］。Si值在1.0～1.5 范圍為輕度污染，在1.5～2.5 范圍為中度污染，在2.5～3.5 范圍為重度污染，大于3.5～4.0 范圍為嚴重污染。

3）優(yōu)勢類群劃分。對鑒定到的各級分類單元及物種進行統(tǒng)計，將物種數(shù)最多的一個目定義為優(yōu)勢類群。

2 結果

2.1 纖毛蟲種類組成 對高臺黑河濕地保護區(qū)4 個樣點的原生動物——土壤纖毛蟲進行了定性研究，共鑒定到19 種，隸屬于3 綱8 目10 科10屬。各樣點及對照組纖毛蟲分布情況如圖1所示，詳見表1。

圖1 各采樣點土壤纖毛蟲分布

表1 各采樣點纖毛蟲種類及數(shù)目

2.2 群落結構特征

1）群落結構與多樣性。黑河濕地保護區(qū)土壤纖毛蟲群落結構分布如圖2所示。

圖2 黑河濕地保護區(qū)土壤纖毛蟲群落結構分布

2）優(yōu)勢類群和優(yōu)勢種。在對照土壤中，第1 優(yōu)勢類群為下毛目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、腎形目、側口目和管口目，第3 優(yōu)勢類群為盾纖目。在樣點土壤中，六壩河橋上游第1 優(yōu)勢類群為下毛目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、腎形目和管口目，第3 優(yōu)勢類群為盾纖目；濕地公園優(yōu)勢類群為盾纖目；大湖灣第1 優(yōu)勢類群為腎形目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、下毛目和盾纖目。從出現(xiàn)頻次分析，緣毛目、腎形目和盾纖目在各采樣點出現(xiàn)頻次最高，說明這些類型的土壤纖毛蟲食性和分布范圍廣，受地理條件影響小。

與對照樣點土壤相比，六壩河橋上游樣點土壤中的優(yōu)勢種為浮雕刀口蟲、長尾刀口蟲、苔蘚膜袋蟲和小尖毛蟲等，濕地公園樣點土壤中的優(yōu)勢種為銀灰膜袋蟲和苔蘚嗜腐蟲，大湖灣樣點土壤中的優(yōu)勢種為長尾刀口蟲、土壤腎形蟲和近親殖口蟲等。

3）群落相似性。根據(jù)Jaccaed 共同系數(shù)公式計算得q=0.737，表明3 個土壤樣點和對照土壤中纖毛蟲群落結構中等相似。

2.3 污生指數(shù) 根據(jù)Pantle 等提出的污生指數(shù)公式計算得到：對照組Si=1.1，濕地公園Si=2.45，六壩河橋上游Si=1.9，大湖灣Si=2.15。數(shù)據(jù)表明六壩河橋上游土壤、大湖灣土壤和濕地公園土壤都受到輕度污染，但六壩河橋上游土壤質量優(yōu)于大湖灣土壤質量，大湖灣土壤質量優(yōu)于濕地公園土壤質量。各樣點纖毛蟲種類數(shù)與污生指數(shù)如圖3所示，由圖可知土壤纖毛蟲種類數(shù)相對越多，土壤污生指數(shù)越低，土壤質量相對越好。

圖3 各采樣點纖毛蟲種類數(shù)與污生指數(shù)

3 討論

土壤纖毛蟲作為土壤生態(tài)系統(tǒng)微型生物群落的重要組成部分，具有個體微小、現(xiàn)存量大、生活周期短、分布廣、形態(tài)和遺傳分化低、對土壤環(huán)境變化敏感性高等特點。有些適應此時的土壤環(huán)境并且形成的優(yōu)勢種，故可利用這些敏感型土壤纖毛蟲對土壤質量進行初步的評價和預測［5］。物種數(shù)、出現(xiàn)頻次等結構參數(shù)均能客觀地反映土壤狀況及其變化趨勢。本研究表明，濕地公園樣點纖毛蟲物種數(shù)指數(shù)較低，但大湖灣樣點該指數(shù)又有所回升，土壤環(huán)境綜合狀況有所改善。由此可見，土壤纖毛蟲對土壤環(huán)境的改善發(fā)生響應，顯示出對土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復的指示作用，同時說明濕地可保護生物多樣性，改善水質和土質，進而改善環(huán)境。

污染導致纖毛蟲群落組成和結構發(fā)生巨大變化。從圖1和圖3中可看出，由于受污染因素的影響，樣點土壤中纖毛蟲群落結構要比對照土壤中的簡單得多。群落相似性分析結果顯示樣點土壤與對照土壤中纖毛蟲群落結構中等相似。在鑒定到的19 種纖毛蟲中，對照土壤中有16 種，而濕地公園土壤中只有7 種。在各樣點和對照樣點的自然地理條件，例如地理位置、土壤類型、土壤含水量、pH 值等都是相同的，理論上二者的原生動物種類組成應該相似或基本相同。推測是由于城市生活污水污染，導致自然群落中不耐污種類消亡，只有少數(shù)能夠耐受污染脅迫的種類得以生存。

綜上所述，本調查研究結果表明：

1）本次通過調查，對高臺黑河濕地保護區(qū)4個樣點的原生動物——土壤纖毛蟲進行了定性研究，共鑒定到19 種，隸屬于3 綱8 目10 科10 屬，對照土壤中16 種。

2）土壤表層和土壤深層纖毛蟲種類存在一定差異，例如長尾刀口蟲只在大湖灣深層土樣存在，而大湖灣表層土樣中不存在；龍骨漫游蟲只在六壩河橋上游深層土樣中存在，而六壩河橋上游表層土樣中不存在；近親殖口蟲在六壩河橋上游表層土樣中存在，深層土樣不存在。這可能是因為不同種類纖毛蟲食性和生存環(huán)境需求不同所致。

3）六壩河橋上游土壤、大湖灣土壤和濕地公園土壤都受一定程度污染（中度污染），但六壩河橋上游土壤質量優(yōu)于大湖灣土壤質量，大湖灣土壤質量優(yōu)于濕地公園土壤質量，濕地公園土壤污染相對最重。

4）盾纖目銀灰膜袋蟲和苔蘚嗜腐蟲可作為污染土壤環(huán)境的指示種類。

5）城市生產生活過程中產生的廢棄物污染及污水導致土壤纖毛蟲物種數(shù)、群落組成和結構發(fā)生很大變化。相關部門因進一步加強生活污水的處理和對污水排放的要求。

6）土壤纖毛蟲對土壤環(huán)境的改善發(fā)生響應，顯示出對土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復的指示作用，同時說明濕地可保護生物多樣性，改善水質和土質，進而改善環(huán)境。