生态系统氮素运转虚拟仿真实验的设计与开发

1、生态系统氮素运转虚拟仿真实验的设计与开发摘 要：为突破生态学实体实验教学在时间、空间、仪器设备等方面的限制，设计开发出基于稳定性同位素 技术的生态系统氮素运转虚拟仿真实验系统。该系统以稻鱼共生系统氮素运转的稳定性同位素定量跟踪实体 实验为基础，采用最新3D仿真技术建立虚拟仿真实验，内容包括稻鱼共生系统的构建、氮素在生物之间运 转的观测、野外取样和室内样品前处理、稳定性同位素15N的测定、氮素运转利用分析等虚拟过程。该系统 将抽象概念及过程转化为直观、立体的仿真图形并开展实验，从实体操作到虚拟仿真，使学生拥有沉浸式的 学习体验。两年的实践应用表明，该系统增加了实验趣味性，提高了学生参与实验的积极

2、性，培养了学生的 创新能力和科研能力，推动了生态学实验课程的改革与创新。关键词：生态系统；稳定性同位素；氮素运转；虚拟仿真实验Design and development of virtual simulation experiment ofnitrogen transfer in ecosystemAbstract: In order to break the limits of ecological experiment in time, space, instrument and equipment, a virtual simulation experiment system of d

3、etecting nitrogen transfer in ecosystem by using stable isotopes is designed and developed. The system is based on the experiments of stable isotope quantitative tracking of nitrogen transfer in the rice-fish ecosystem, and the latest 3D simulation technology is used to establish the virtual simulat

4、ion experiment. The contents of the virtual simulation experiment include the construction of the rice fish ecosystem, observation of nitrogen movement between organisms, field sampling and laboratory sample pretreatment, determination of the stable isotope 15N, the analysis of nitrogen transfer in

5、rice-fish ecosystem, etc. The system transforms the abstract concepts and processes into intuitive and 3D simulation graphics. From physical operation to virtual simulation, students can get an immersive learning experience. The two-year practice shows that the system increases the interest of the e

6、xperiment, improves students enthusiasm to participate in the experiment, cultivates their innovation ability and scientific research ability, and promotes the reform and innovation of ecology experiment course.Key words: ecosystem; stable isotope; nitrogen transfer; virtual simulation experiment生态系

7、统物质循环和能量流动是生态学研究的为加深学生对生态系统中元素循环特征、运转途径等热点和难点1-6，也是生态学课程教学的重点内容7-8。知识点的理解，我校生态学专业教学团队开设了基于稳定性同位素技术的生态系统氮素运转实验（以下简 称“生态系统氮素循环实验”）9,该实验采用模拟自 然生态系统和模型分析相结合的方式，定量跟踪分析 元素在生物之间的转移过程和迁移率，有助于学生加 深对生态系统内元素循环机制的理解。稳定性同位素 技术是研究生态系统元素循环的重要手段，通过追踪稳定性同位素13c和15N可以精确分析其在迁移转化 中的变化规律1T。我校生态学专业教学团队开设的 生态系统氮素循环实体实验，即是采

8、用稳定性同位素 15n进行实验测定。但是，稳定性同位素技术应用于 生态系统氮素循环实验通常包括以下环节：15n标 记物质的制备。15n标记物质在每个运转环节的回 收。回收的15n标记物质的研磨及样品微量称取。样品上机（同位素质谱仪）分析。计算。这些环 节的实施面临着时间长、费用高、仪器昂贵稀少等问 题，实验的开设受到时间、空间、仪器设备等的限制， 只能小班进行，很难面向大量学生。为解决时间、空间和仪器设备限制问题，进一步 提高实验受益人数，激发学生学习兴趣，我校生命生 态学教学团队依托学科优势和科研实力16-17，设计开 发出基于稳定性同位素技术的生态系统氮素运转虚拟 仿真实验系统。该系统不但

9、突破了稳定性同位素15n 测定的时间和仪器限制，使学生能够在短时间内掌握 利用稳定同位素观测元素循环转移的原理和技术，而 且很好地解决了时间与空间上的难题，有利于学生加 强对生态系统元素循环的认识与理解，系统掌握生态 学知识与技能，提高创新能力。1生态系统氮素运转虚拟仿真实验原理1.1氮素在稻鱼共生系统中的循环利用稻鱼共生系统中输入的氮素（15n标记的饲料氮） 主要通过生物之间互补利用运转，从而实现生态系统 氮素循环（图I ）。通过测定15n标记的饲料氮在田 鱼、水稻植株、田间其他生物、土壤、水体的分布， 即可计算15n标记的饲料氮的运转去向和循环利用 效率。本虚拟仿真实验利用3D、3DS M

10、AX系列信息 技术，实现对标记15n在稻鱼共生系统中运转过程的 高度仿真。图1稻鱼共生系统氮素运转循环示意图1.2田鱼个体取食行为差异与氮素利用稻鱼共生系统田鱼的取食行为略有差异（图2（a）， 取食对象大致分为底栖动物、浮游植物、藻类3类。 个体取食行为的差异导致资源的充分利用，同位素生 态位产生分离（图2（b）。本虚拟仿真实验实现了对田 鱼的取食行为的高度仿真。（a） 3种体色田鱼取食行为的差异（b） 3种体色田鱼的同位素生态位O BlackORedO Red-black图2稻鱼共生系统田鱼的取食行为与资源利用1.3利用稳定性同位素技术研究元素的利用与去向具有相同质子数和不同中子数的原子互称

11、为同位 素，可分为放射性同位素和稳定性同位素18o含有稳 定性同位素的分子与正常的分子相比，拥有相同的化 学性质，但由于质量稍大，物理性质有着一定的差异, 因此在一些生物学过程中同位素的含量会发生变化， 发生同位素分馏现象。图3为稳定性同位素技术应用 原理。生态学研究中可以利用不同物体稳定性同位素 丰度的天然差异来研究食物链中生物的取食关系、动 物食物来源等；也可以通过人为添加重同位素到目标物 质中，达到追踪指示的作用。本虚拟仿真项目构建了利 用稳定性同位素测定氮素运转的整套虚拟仿真实验。（a）同位素分馅和混合过程示意图（b）水生生态系统食物网高级补食者中级补食者蜂腰猎物磷虾，相足类同位素混合

12、模型（c） 15N在食物链中的富集图3稳定性同位素技术应用原理2实验材料和设备2.1虚拟实验材料（1）稻鱼共生系统虚拟材料：稻鱼共生生态系统 野外场景虚拟；稻鱼共生系统构建过程中水稻栽插和 田鱼放养的虚拟；水稻生长（苗期、分蘖期、幼穗分 化期、抽穗扬花期、灌浆成熟期）和田鱼生长过程虚拟。（2）稻鱼共生系统氮素15N的运转虚拟材料：虚 拟稻鱼共生系统氮素转运过程，包括15N标记的饲料 的输入、田鱼活动的观察、15N在稻田的流向（如被 水稻吸收、鱼取食利用）等。（3）15N测定虚拟材料：虚拟野外场景中水稻、 鱼、土壤的取样和室内样品前处理等。2.2虚拟实验设备（1）虚拟野外实验装置：样方、鱼活动观

13、测摄像 设备和系统、稳定性同位素标记设备、土壤采集工具。（2）虚拟实验室仪器设备：电子天平、烘箱、行 星式球磨仪、研磨机、超低温干燥箱、同位素质谱仪 等实验仪器。3实验系统教学设计本虚拟仿真实验系统以我校生命科学学院野外科 研基地、全球重要农业文化遗产一一浙江青田稻鱼共 生生态系统为原型，制作了高度仿真的稻鱼共生生态 系统，并设计了一套完整模拟生态系统中物种间氮素 运转过程的实验。该系统实验部分由稻鱼共生生态系 统的构建、稻鱼生态系统氮素随饲料的输入、田鱼活 动的观察、水稻田鱼土壤的取样和样品前处理、稳定 性同位素的测定与计算、稻鱼共生系统氮素利用分析 6个模块组成，采用学习和考核2种模式（图

14、4）。图4 2种实验模式及6大模块3.1稻鱼共生生态系统的构建该模块介绍了稻鱼共生生态系统的基本情况，包 括该系统的历史、地形地貌、周边环境及相关科学研 究进展等。为了让学生更好地了解实验相关知识，进 入实验模块之前，学生需要完成相关题目（图5（a）。 随后学生进入虚拟野外场景，选择实验工具，根据实 验提示，按照参数（密度、规格）进行水稻种植以及 青田田鱼放养（图5（b），构建稻鱼共生系统、水稻单 作系统和田鱼单养系统（图5（c）。(c) 3种不同系统模式图5稻鱼共生生态系统的构建模块(C)田鱼在田间活动的定量分析图7田鱼活动的观察模块3.2稻鱼生态系统氮素随饲料的输入(c) 3种不同系统模式

15、图5稻鱼共生生态系统的构建模块(C)田鱼在田间活动的定量分析图7田鱼活动的观察模块该模块中学生需要选择15N标记的饲料并进行投 喂，从而了解氮素输入生态系统的方式及过程。在该 过程中学生需要根据田鱼大小计算投喂量并在正确的 时间进行投喂，同时计算出该时期投喂的饲料中氮素 含量(图6)o通过这一过程，强化了学生对于氮素在 生态系统中迁移转化的理解，让元素在生态系统中的 迁移转化变得更加形象和具体。图6 15N标记饲料的投放重后剪成长度约为1 cm的碎片并混合均匀，最后取 适量样品研磨后保存在塑封袋中备用(图8(a) )o(2)动物样品。水稻收获后，收取所有动物样品。 系统中收获的鱼均暂养于清水中

16、24 h排净肠道内容 物，随后转入-80 C冰箱保存，真空冷冻干燥。以每 个小区为单位称量记录干重后剪碎混合均匀，然后取 适量研磨后保存在塑封袋中备用(图8(b) )o3.3田鱼活动的观察该模块中学生需要对比稻鱼共生生态系统和田鱼 单养系统中鱼的活动情况。首先，学生将在两个系统 小区中建立样方，并在各个样方边架立摄像机对样方 进行录像并收集储存录像(图7(a)，然后根据录像来 观察田鱼的活动并提取数据(图7(b) )o学生通过提取 数据进行分布多样性及分布均匀性指数的计算，从而 了解不同时间段内田鱼在田间活动分布格局(图7(c) )o 3.4水稻、田鱼、土壤的取样和样品前处理该模块中学生在野外

17、场景中对3种样品进行取 样，并将取到的样品带回实验室进行样品的前处理。(1 )水稻样品。水稻取样需从每株水稻的土表处 剪断，用自来水冲去表面附着物，105 C3.3田鱼活动的观察该模块中学生需要对比稻鱼共生生态系统和田鱼 单养系统中鱼的活动情况。首先，学生将在两个系统 小区中建立样方，并在各个样方边架立摄像机对样方 进行录像并收集储存录像(图7(a)，然后根据录像来 观察田鱼的活动并提取数据(图7(b) )o学生通过提取 数据进行分布多样性及分布均匀性指数的计算，从而 了解不同时间段内田鱼在田间活动分布格局(图7(c) )o 3.4水稻、田鱼、土壤的取样和样品前处理该模块中学生在野外场景中对3

18、种样品进行取 样，并将取到的样品带回实验室进行样品的前处理。(1 )水稻样品。水稻取样需从每株水稻的土表处 剪断，用自来水冲去表面附着物，105 C杀青处理 15 min，然后65 C烘干至恒重。每株水稻称量记录干(a)水稻的取样及前处理(b)田鱼的取样及前处理(c) 土壤的取样及前处理图8水稻、田鱼、土壤的取样和样品前处理模块3.5稳定性同位素的测定与计算该模块中学生对处理好的土壤、田鱼和水稻等样 品进行微量称量、包样及上机测定等操作，掌握同位 素样品的检测及分析。（1）样品称重及包埋（微量）。学生在虚拟环境 中左手戴一次性CPE手套（接触样品），利用超微量 天子天平（METTLER TOL

19、EDO XP6）对样品进行称 量，称好的样品放入直径4 mm、高6 mm的锡纸杯中 进行包埋并记录样品质量（图9（a）。（2 ）上机测定。同位素质谱仪（美国，Thermo Fisher Delta V Advantage）提前预热、检测，打开所需 气体，测定参照的标准样品。将样品编号和质量录入 软件中，选择测定分析方法，同时将样品按顺序加入 自动进样器进行测定（图9（b）。（3 ）计算。样品中15N含量计算公式见式（1）19， 其中数据由同位素质谱仪直接测得。w（15N） = w（N）成/（1 + R）（ 1）其中，w（N）为样品总氮含量，R为样品的重同位素 （15N）与轻同位素（14N）的丰

20、度比。图9稳定性同位素的测定与计算模块3.6稻鱼共生系统氮素利用分析该模块学生将测定的结果代入相应的公式，计算 出稻鱼共生系统中氮素在各个生物体中的含量，分析 氮素在稻鱼共生生态系统的迁移规律（图10（a）。 同时，根据数值完成稻鱼系统中氮素迁移的模式图 （图10（b）。计算公式如下20：如m（15N）s + Med（15N =rfs（15N）（ 2 ）a + b = 1（ 3 ）式中：a为水稻吸收的环境中的N对水稻地上部分总 N量的贡献率；b为饲料N对水稻地上部分总N量的 贡献率；弟m（15N）为水稻单作处理下水稻的15N同位素 千分差值；&ed（15N）为15N标记饲料的15N同位素千分 差值；Mfs（15N）为