“模拟酸雨对植物影响试验”的设计、实现与建议_酸雨论文

“模拟探究酸雨对植物的影响quot;实验设计、实施与建议，本文主要内容关键词为：酸雨论文,植物论文,建议论文,quot论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      探究“酸雨”的危害属于《义务教育生物学课程标准（2011年版）》的建议实验，人教版教材将此探究活动设计为具有较大开放性的全过程探究，期待学生通过活动认识到酸雨对生物的危害，确立环保意识。在以往的教学中，一般采用白醋配制的模拟酸雨（简称醋酸型模拟酸雨），探究酸雨对种子（例如绿豆）萌发或幼苗生长的影响。实验较为简单直观，但学生对酸雨危害的认识似乎并不深刻。用白醋配制的模拟酸雨进行实验是否科学？酸雨对不同植物及植物生长的不同阶段是否都有危害？对这些问题的思考，能更好地为全过程探究酸雨危害的实验教学奠定基础。

      一、模拟酸雨的配置及pH设定

      酸雨是指pH小于5.6的大气降水（雪、雨、雹等）。人类排放的硫氧化物和氮氧化物在大气环境中经过各种氧化反应生成的硫酸和硝酸是导致降水酸化的主要污染物质[1]。研究结果显示：我国的酸雨主要是硫酸型酸雨，以北京为例，降水中

与

的比例约为3.91:1[2]。可见，用硫酸和硝酸按一定比例配制模拟酸雨（简称硫酸型模拟酸雨），更接近真实情况。那么，用醋酸型和硫酸型2种模拟酸雨进行实验，结果是否有差异？

      研究表明，2008年北京市降水年平均pH约为4[1，3]。本实验主要选择pH4模拟酸雨进行实验。鉴于我国大部分酸雨地区降水为pH5左右，严重地区达到pH3左右，在探究不同pH模拟酸雨对植物的影响时，选择pH3、pH4和pH5 3个梯度。

      可供参考的配制方法：

      （1）硫酸型酸雨。使

与

的比例约为3.91:l，若用浓度为98%的浓硫酸和浓度为69%的浓硝酸配制，方法如下：取1 mL 98%的浓硫酸，加水1838.2 mL即可稀释1000倍，形成0.098%的稀硫酸；取1 mL 69%的浓硝酸，加水1418.6 mL即可稀释1000倍，形成0.069%的稀硝酸。用这2种稀酸分别配制1000 mL不同pH硫酸型模拟酸雨，经计算所取的稀硫酸和稀硝酸体积见表1，分别加水至1000 mL即可。

      

      （2）醋酸型酸雨。选择家庭常用自醋（醋酸浓度为5%），3种不同pH醋酸型酸雨配制方法如表2。

      

      备注：醋酸是弱酸，难以计算不同pH醋酸型模拟酸雨应各取多少体积白醋和清水配制，因此本实验配制时用pH试纸为检测依据，误差较大，以上数据仅供参考。

      二、实验设计与实施

      酸雨对植物的影响，主要表现在对形态结构（如叶和花）和生理生化（如种子萌发、幼苗生长、叶片代谢、矿质营养代谢、营养生长、生殖生长、逆境生长等）的影响2个方面，前者考虑对叶片和花的影响[4]，后者考虑初中学生的兴趣及便于观察，实验主要设计模拟酸雨对种子萌发及不同生长阶段叶、花等的影响。在实验材料的选择上，遵循常见易得、种类多样的原则。

      （1）探究不同种类模拟酸雨对种子萌发的影响。

      试剂：pH4的硫酸型和醋酸型2种模拟酸雨、清水。

      材料：绿豆、黄豆、高粱、油菜、萝卜、玉米、小麦和大麦种子。

      方法：上述每种种子各3份，每份50粒，放在铺好滤纸的培养皿中；分别用滴管滴加等量的清水或2种模拟酸雨，早、晚各1次；记录萌发率。

      实验数据见表3。

      

      结果表明：油菜、萝卜、玉米、小麦（见图1）和大麦在清水环境下的萌发率最高，而pH同为4时，硫酸型酸雨条件下的种子萌发率要高于醋酸型酸雨。绿豆和高粱在清水和酸雨条件下的萌发率都很高；黄豆易发霉腐烂，萌发率较低。

      

      实验材料建议：模拟探究酸雨对种子萌发的影响，适宜选择油菜、萝卜、玉米、小麦和大麦等萌发率高且萌发率受酸雨影响明显的种子。

      （2）探究不同pH的酸雨对种子萌发的影响。

      试剂：pH3、pH4、pH5 3个梯度的2种模拟酸雨、清水。

      材料：种子同实验1。

      方法：上述每种种子各7份，每份100粒，放在铺好滤纸的培养皿中；将种子分别置于等量pH3、pH4、pH5 3个梯度的2种模拟酸雨和清水中，早、晚各用滴管滴加1次；记录种子的萌发率。

      实验数据见表4。

      

      结果表明：油菜、萝卜、高粱、玉米（见图2）、小麦和大麦这6种材料在清水中的萌发率较高，在2种酸雨中其萌发率都随着pH的降低而降低。绿豆受酸雨的影响不明显，萌发率均较高；黄豆容易发霉，萌发率均较低。

      

      实验材料建议：选择萌发率高且萌发率受酸雨影响明显的种子，例如油菜、萝卜、玉米、高粱等。

      在进行实验1和实验2时发现：酸雨对有的种子萌发率影响不大，但萌发后幼苗生长缓慢，有的甚至停止生长。模拟酸雨对幼苗生长高度是否有影响？

      （3）探究2种模拟酸雨对幼苗生长高度的影响。

      试剂：pH4的硫酸型和醋酸型2种模拟酸雨、清水。

      材料：实验1的幼苗。

      方法：将实验1中用清水、2种pH4模拟酸雨萌发的种子，继续培养（滴加清水或模拟酸雨至根部），一段时间后观察记录幼苗的高度变化。

      实验结果见表5。

      

      结果表明：酸雨对幼苗生长高度的影响较大。以高粱为例，1周后，继续浇清水和硫酸型模拟酸雨的高粱幼苗平均高度分别为10.5 cm和7.4 cm，而醋酸型酸雨条件下的高粱幼苗平均仅2.8 cm（图3）。萝卜和油菜等细嫩的幼苗在醋酸型酸雨浇灌条件下最终全部枯死。

      

      （4）探究2种模拟酸雨对幼苗叶片的影响。

      试剂：pH4的硫酸型和醋酸型2种模拟酸雨、清水。

      材料：长势相当的小麦、玉米、高粱、油菜、萝卜、绿豆幼苗。

      方法：在培养皿中，用清水培养上述6种幼苗；每种幼苗选择长势相当的3份，分别用等量的清水、pH4的2种模拟酸雨喷洒叶面，早、晚各1次；观察记录幼苗叶片的变化。

      实验结果：绿豆幼苗非常容易受酸雨侵害。喷洒硫酸型模拟酸雨2d后的叶片开始出现斑点，喷洒醋酸型模拟酸雨的幼苗被酸雨腐蚀更严重，一些叶片甚至焦枯。萝卜和油菜茎秆细弱易倒伏，叶片小，不易观察。玉米、高粱和小麦叶片表面的绒毛密，清水或酸雨不易沾染到叶片上，实验效果均不明显。

      （5）探究不同pH酸雨对成熟植株叶片的影响。

      试剂：pH3和pH4的2种模拟酸雨、清水。

      材料：生长状态稳定的校园常见植物或绿植，如绿萝、蝴蝶花、黑麦草、早开堇菜、金叶女贞、丁香、菊花、酢浆草、紫叶小檗和龙爪槐。

      方法：在校园内分别选取5处长势相当的同种植物，向叶面分别喷洒等量清水、pH3或pH4的2种模拟酸雨，早、晚各1次；观察记录植株叶片的变化。对于盆栽绿植，可在同一植株上选取5处长势相当的叶片，进行实验。

      实验结果：绿萝、蝴蝶花、黑麦草、土麦冬、早开堇菜和菊花等草本植物5d后表现出受酸雨侵蚀的现象：叶片出现焦枯斑点，甚至扩大成一片：木本植物金叶女贞和丁香叶片在1周后出现枯死斑点。将受酸雨侵蚀的丁香叶片置于30倍实体镜下，可见围绕叶片气孔周围的细胞破坏严重，细胞质流出，叶绿体消失，仅剩下细胞壁。不同模拟酸雨对植物叶片的侵蚀程度不同，从高到低排序为：pH3醋酸型酸雨＞pH3硫酸型酸雨＞pH4醋酸型酸雨＞pH4硫酸型酸雨＞清水。紫叶小檗和龙爪槐因叶片不易沾上液体，受模拟酸雨的影响并不明显。

      实验材料建议：最好选择叶片薄、没有角质层或角质层薄的植物叶片进行实验；草本植物比木本植物受酸雨的危害更大。

      （6）探究不同pH酸雨对花的影响。

      试剂：pH3和pH4的2种模拟酸雨、清水。

      材料：常见且花瓣较大的矮牵牛、康乃馨、太阳菊和玫瑰。

      方法：选择上述长势相当的花朵各5枝，分别向花瓣喷洒等量清水、pH3或pH4的2种模拟酸雨，早、晚各1次。

      实验结果：模拟酸雨对矮牵牛花瓣的影响最快、最明显，3d后花瓣上出现很多斑点甚至透明的孔洞。将受酸雨侵蚀的花瓣置于30倍实体镜下，明显观察到植物细胞破坏严重，细胞液流出，因此宏观上观察到花瓣褪色，仅留下透明孔洞等。不同模拟酸雨对植物花瓣的侵蚀程度不同，按从高到低排序为：pH3醋酸型酸雨＞pH3硫酸型酸雨＞pH4醋酸型酸雨＞pH4硫酸型酸雨＞清水。康乃馨和太阳菊实验结果类似，但比矮牵牛花瓣受伤害程度低。玫瑰花瓣不易沾上液体，而且花朵容易萎蔫，不便于观察。

      （1）表3及表4中，相同pH的模拟酸雨处理同一作物种子，种子的萌发率却差异很大。例如，表3中无论用pH4的硫酸或醋酸型模拟酸雨处理，高粱种子的萌发率均为86%，而表4中2种模拟酸雨处理的萌发率分别下降为50%和4%，小麦、大麦等也有类似的差异。第一，因为最初配制硫酸型模拟酸雨时，只是按

与

的比例为3.91:1配制成母液，再加清水稀释成不同pH的模拟酸雨[4]，pH试纸检测；醋酸型模拟酸雨用清水稀释白醋制成，同样用pH试纸检测确定。pH试纸本身误差大，造成实验设计1和实验2所用的2种模拟酸雨实际pH可能有差异，因此实验结果有较大差异。第二，同一实验不同种子每次滴加的清水或2种模拟酸雨体积相等，但在实验设计1和实验2中却未进行统一，因此实验2每次滴加的体积可能比实验1大，造成实验数据有类似差异。

      （2）相同pH的硫酸型模拟酸雨对植物生长的影响要小于醋酸型。可能的原因是：①硫和氮是植物的营养元素，少量施加可以促进植物生长。②植物种子对不同酸的中和能力不同。因为酸性溶液的存在，各种物质会从种子或果皮中淋溶出来，导致pH的改变。实验证明，大多数植物种子均具有提高浸泡溶液pH的能力[4]。③硫酸和硝酸是强酸，在溶液中完全电离；醋酸是弱酸，在溶液中不完全电离，因此相同pH的醋酸型模拟酸雨，溶液中醋酸的浓度比硫酸型模拟酸雨中硫酸与硝酸的总浓度大得多。

      （3）酸雨对植物幼叶的伤害早于老叶。在探究不同类型模拟酸雨对植物叶片的影响时，发现酸雨对植物幼叶的伤害更快、更严重。可能的原因与酸雨影响植物叶片的机理有关：酸雨一般经气孔进入叶片，所以在气孔处易集中出现斑点，并由此扩大。植物所必需的钙、镁等体内成分被酸雨从叶子和茎中夺取了，植物会逐渐变衰弱，直至死亡[5，6]。植物叶片在暴露于模拟酸雨后出现的伤害中约有95%发生在毛状体基部、保卫细胞及沿着叶脉的区域内。幼叶受酸雨影响的程度比老叶严重，是因为每单位叶面积的毛状体和气孔密度在幼叶上最高[4]。另一方面，幼叶的保护性结构不及老叶。

      （4）不同植物对酸雨的敏感性不同。实验发现，相同pH模拟酸雨条件下不同种子或不同植株其受伤害的程度不同，可能的原因如下：①不同植物中和酸的能力不同；②通常叶片伤害的程度与上表皮腊质的化学生理特性有关，叶表面越粗糙或腊质越厚，叶片越不容易受伤害；③有研究表明，植物叶片对酸雨的相对敏感性由高到低的顺序是：草本双子叶植物、木本双子叶植物、单子叶植物、针叶植物[6]。

      （5）表4中，高粱、玉米和大麦在清水中的萌发率稍低于pH5的模拟酸雨，是实验误差还是其他原因，有待进一步研究。

      （6）对教学设计的启示。

      ①可引导学生从不同角度进行实验设计。除模拟探究酸雨对种子萌发的影响外，还可以探究酸雨对幼苗生长高度、幼叶、成熟叶片、花等的影响，拓展实验设计的思路。

      ②关于模拟酸雨的选择。条件允许的情况下，可用硫酸和硝酸按一定比例配制成更接近实际情况的模拟酸雨；从安全角度考虑，可用醋酸型模拟酸雨进行实验，但需要告诉学生它与真实酸雨的成分差异，以及它可能会将酸雨的危害扩大。

      ③从不同角度看待实验结果。在实验中看到模拟酸雨对不同植物的影响程度不同：一些植物受酸雨的影响明显，一些受酸雨的影响不明显。从选择实验材料的角度，应选择受酸雨影响明显的植物，学生更易观察到实验现象。但如果从农业或绿化的角度，尤其在酸雨地区，就应该选择耐酸的植物；同时，从环境监测角度看，受酸雨影响明显的植物也是非常好的指示植物。不拘泥于实验本身，联系生活实际，引发学生思考，会让生物学实验更加有意义和有价值。[7]

      ④课时安排及课堂组织形式。教师可在课堂上引导学生完成实验设计，然后学生以小组形式认定课题、进行实验、记录实验结果，最后分小组展示实验结果。作为全过程的探究性实验，也可以采取课外小组、研究性学习、兴趣小组等形式开展本实验。

      四、实验教学传递的重要概念

      设计并实施实验为学生更好地理解重要概念提供了丰富的事实性知识。本实验要落实的重要概念为“生物圈是最大的生态系统”，次重要概念为“人类活动会对生物造成有利或有害的影响”。教师要引导学生对实验结果进行分析，结合本地实际情况讨论如何保护生物圈及生活的环境。

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