探究不同种类植物对生态瓶稳定的影响

本期点评专家

张永强  正高级教师，湖南省十佳科技教师。科普中国2021年十大科普人物奖获得者，全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

针对环境问题，我国提出在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的“双碳”目标，其中涉及的环保、碳中和理念等与高中生物选择性必修二《生物与环境》第3章第5节《生态系统的稳定性》的内容有一定关联。我们在从课本习得的理论基础上，开展了“创意生态瓶的制作”人工生态系统模型构建的科学探究实践活动。

生态瓶是地球的微型模拟，要保持稳定，需在其内构建一个生态平衡系统。影响平衡的因素有很多，例如不同的土壤、水质，不同种类的动植物，等等。我们在生态瓶中种植不同种类的植物，探究其对生态瓶稳定性的影响。

一、实验目的

从生态平衡角度出发，制作创意生态瓶，探究不同种类的植物对生态瓶稳定性的影响。

二、实验原理

生态瓶模拟自然生态系统，通过封闭环境中生物与非生物成分的相互作用，实现能量流动和物质循环，维持生态平衡。生态系统中有生产者、消费者与分解者。我们通过改变生产者的种类，让消费者与分解者保持一致，实现能量的流动与物质的循环，对生态瓶的稳定性进行探究。

在生态瓶的制作过程中，不仅考虑到生态系统的稳定性，还考虑到不同生物搭配的美观性，构建一个兼具实用性与美观性的创意生态瓶。为了更好地将书本知识与实验有机结合，我们制作了思维导图。

三、实验假设

结合所学知识，在一定范围内，生态系统中的生产者越多，生态瓶越趋于稳定。由此推测：仅放置蜈蚣草的1、2、3号瓶子持续稳定的时间较短；仅放置绿菊花的4、5、6号瓶子持续稳定的时间较短；放置蜈蚣草和绿菊花的7、8、9号瓶子持续稳定的时间较长。

四、探究过程

我们以水中不同种类的植物为生产者，消费者为热带鱼，分解者为硝化细菌与小螺，构建出小型的生态系统模型，并将生态瓶置于阳光下，实现物质的循环与能量的流动。观察热带鱼的游动情况，包括游姿、游动速度、游动的频率等，判断热带鱼的活跃情况（如：活跃度高的鱼一般在水的下层游动，反应敏锐；活跃度低的鱼则在水的上层游动，鱼嘴贴近水面，尾身呈下垂现象）并进行量化打分，分数从1—10，分值越高说明鱼越活跃。结合记录的数据绘制曲线图。

实验结果表明，热带鱼的活跃度均在实验开始后3至4天下降，且20至24天后，仅放置绿菊花或蜈蚣草的生态瓶中出现热带鱼死亡的现象，37天后，放置绿菊花与蜈蚣草的生态瓶中出现热带鱼死亡的现象。总体而言，放置蜈蚣草与绿菊花两种植物的生态瓶中的热带生物活跃度最高。

从生物总体情况来看，9个生态瓶活跃度都呈下降趋势，其中放置蜈蚣草与绿菊花两种植物的生态瓶比只放置蜈蚣草或绿菊花的生态瓶的活跃度下降趋势要慢。可见，实验结果与预期实验结果一致。

五、分析与讨论

在一定范围内，植物种类越多，生态瓶越趋于稳定。

放置蜈蚣草或绿菊花的生态瓶中，仍出现鱼类死亡的现象。经过讨论与分析，我们得出以下可能导致鱼类死亡的原因：生态瓶太小，热带鱼的活动空间较小；热带鱼在生态瓶中的生活时间较短，对环境未能较好适应；生态瓶中消费者单一，且营养结构简单，导致生态瓶稳定性较差；生态瓶中的细菌等微生物的数量和种类影响鱼类的生存，如果生态瓶没有密封，空气中的细菌进入后可能导致水质迅速恶化，加速鱼类死亡；实验期间连续的阴雨天气导致环境频繁变化，使得鱼体发生应激反应，易死亡。

总而言之，在一定范围内，生态瓶中的生产者越多，食物链越多，生态结构相对越稳定，越利于生物的生存。且环境易影响鱼类生命力，导致鱼类活跃度变化，可从侧面反映生态瓶的稳定性。

为了保持生态平衡，需要建立一个更加复杂和稳定的生态系统，包括多种生物和适当的环境条件。

六、体会与反思

首先，生态瓶并非完全密封的，无法完全模拟地球所有相对独立的生态要素和环境变化。其次，生态瓶的容量有限，难以展示出物种复杂性和多样性，由此也可看出构建人工生态系统的困难。

尽管如此，生态瓶和“生物圈2号”（一种由美国人建造的封闭生态系统）都是地球的缩影，对其进行研究有助于我们加深对生物和环境的了解，探索影响人工生态系统稳定的因素。（指导老师：吕秀贤   刘翔武）

专家点评

作者选取的课题“探究不同种类植物对生态瓶稳定的影响”与当前全球环境问题紧密相连，具有较高的实际应用价值和教育意义。

作者巧妙地将课本中的理论知识与实验操作融合，通过动手实践，将所学知识灵活地运用到实验之中，促进了理论理解的深化和实践能力的提升。文章从问题背景的阐述到研究问题的明确，再到学习目标的设定，直至实验过程的细致描述、结果记录的详尽分析，以及体会与反思，环环相扣，完整地呈现了一次科学研究的全过程。记录实验结果并进行详细分析，使结论更具说服力。在体会与反思部分，作者不仅总结了实验的成功之处，还深入分析了实验的局限性和不足，提出了对生态保护的思考，体现了较高的科研素养和责任感。

建议在条件允许的情况下，适当增加实验组的数量，引入更多种类的生物和环境条件，以提高实验结果的全面性和普适性。利用统计软件对数据进行深入分析，如进行显著性检验、回归分析等，以增强结论的科学性和可靠性。在结论部分，可深入解释其背后的生态学原理，并探讨其对现实环境问题的启示和应用价值。