亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被调查与观测

李亭亭，余霜敏，莫家勇，张 敏，龚 苗，汪正祥

（1.区域开发与环境响应湖北省重点实验室，武汉 430062；2.湖北大学资源环境学院，武汉 430062；3.神农架国家公园管理局，湖北神农架林区 442421；4.咸宁市林业科学院林业与生态研究所，湖北咸宁 437100）

0 引 言

植物地理学是研究植物与植被在地球表面分布规律及其与环境相互关系的学科，也是地理学、生态学、生物学等专业的核心课程［1］。认识陆地植被主要类型及其分布规律是植物地理学的最主要内容。一般来说，地球陆地植被系统中有两类植被类型，一类为显域性植被，如热带雨林、亚热带常绿阔叶林等；另一类为隐域性植被，如泥炭藓沼泽植被、草甸等。植物地理学是一门实践性很强的专业课程［2-3］，而泥炭藓沼泽湿地植被作为隐域性植被的典型代表，对其进行调查与观测有助于学生将理论知识与实践紧密结合，提升学生对隐域性植被发育环境、群落结构和生态功能以及演替规律等的认知，强化湿地保护意识。然而，受水热条件的限制，泥炭藓沼泽植被在我国的亚热带山地仅有少量分布，且多发育于高海拔山间盆地或低洼处［4-5］。分布地域的遥远偏僻导致较高的交通成本和较大的安全隐患；此外，野外调查及观测实验周期长，涉及的实验设备昂贵，因此大规模组织学生开展这类实验十分困难。

本实验通过虚拟仿真技术，在实验平台上开展亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被调查与观测实验。虚拟仿真是基于计算机、现代信息网络、人工智能等相互融合而发展起来的模拟应用技术［6］。虚拟仿真实验教学具有生动直观、情境再现［7］、经济省钱、安全可靠［8］等优越性，采用这种教学模式不仅可以打造安全的多样化的教学环境［9］，降低实验教学成本［10］，还可突破时间和空间的限制［11］，增强实验教学的互动性［12］。

本项目以隐域性植被的代表——亚热带山地泥炭藓沼泽植被为切入点，在前期野外调查获取科学数据的基础上，采用无人机航拍、全景摄影、Unity3D、Maya三维建模、3Dmax 等计算机仿真技术开发了“亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被调查与观测虚拟仿真实验”。

1 虚拟仿真实验项目的构建

1.1 虚拟仿真实验的系统架构

本虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，两者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果［13］。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台［14］。如图1 所示，支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为5 层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。

图1 虚拟仿真系统总体架构

1.2 虚拟仿真实验的构建思路

亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被调查与观测虚拟仿真实验项目以亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被为实验对象，利用无人机航拍、全景摄影、Unity 3D、Maya三维建模、3Dmax 等技术，将泥炭藓的形态构造、泥炭藓湿地的生态功能、植被环境、群落物种组成及植被的演替等核心要素进行虚拟仿真，形成操作性、交互性、沉浸感极强的虚拟仿真项目。实验主体部分包括6 个模块：认识泥炭藓、泥炭藓湿地的生态功能、泥炭藓湿地植被环境分析、构建泥炭藓湿地植物群落、泥炭藓湿地植被演替模拟、综合考核与报告（见图2）。学生通过虚拟仿真实验操作，身临其境观察了解泥炭藓的结构特征，认识泥炭藓沼泽湿地植被的主要植物种类，理解泥炭藓沼泽湿地植被的生态功能，掌握泥炭藓沼泽湿地植被环境特征（包括地下水位、土壤剖面及泥炭沉积物）及其调查测量方法，归纳泥炭藓沼泽湿地植被演替的规律，演绎和阐释隐域性植被的分布规律及与环境的相互关系，并探讨泥炭藓沼泽湿地的保护策略。

图2 虚拟仿真实验知识体系组成

（1）认识泥炭藓模块。实验首先设计让学生认识泥炭藓，通过闪烁突出（见图3（a））、图片文字搭配、显微构造拼图（见图3（b））以及三维植株拆解（见图3（c））等多种方式，强化学生对泥炭藓植株（包括孢蒴、头状枝、垂悬枝、伸展枝、茎）典型形态特征的认知。在此基础上，进一步观察泥炭藓两种细胞的显微结构和功能，理解泥炭藓细胞结构与泥炭藓植株含水量极高的相关性。最后让学生观察认知泥炭藓植被景观的四季变化特征。学生进入该模块后，可以选择30、10、5 m 3 种高度的航拍视角，在其中任一高度的航拍场景中自由切换视角进行全方位浏览，同时在此过程中完成对泥炭藓三维植物认知、泥炭藓形态构造认知、泥炭藓器官识别、显微构造拼图、植被景观季节变化的学习。该模块的设计有助于学生从外部到内部、从宏观到微观、从春夏到秋冬，全方位地认识泥炭藓。

图3 泥炭藓外观形态与细胞显微结构虚拟仿真实验截图

（2）泥炭藓沼泽湿地植被生态功能模块。在全方位认知泥炭藓植物物种的基础上，进一步设计实验强化学生对泥炭藓湿地重要生态功能的理解。该模块包括泥炭藓含水量测定和沉积物特征及年代测定两个部分。学生可以在虚拟仿真的泥炭藓湿地场景中，完成野外泥炭藓植株和泥炭沉积物的采样及保存；在虚拟仿真的实验室场景中，完成泥炭藓植株含水量的测定、沉积物特征描述以及年代测定。

在泥炭藓植株野外采样过程中，学生依据文字提示，从操作界面下方工具栏中依次选择相应工具进行每一采样点地理位置信息的读取和记录、采样框的放置、采样深度的测量、剪刀采样、塑封袋包装、冷藏箱保存等采样步骤。随后进入室内测定环节，学生依次进行泥炭藓鲜样称重、烘箱干燥、泥炭藓干样称重、含水量计算。该部分虚拟仿真实验尤其详细还原了泥炭藓植株的野外采样过程、烘箱及样品烘干实验的操作。

在泥炭剖面野外采样过程中，学生依据文字提示，依次从操作界面下方工具栏中选择相应工具进行沉积物采样点地理位置信息的读取和记录（见图4（a））、泥炭采样器的安装（见图4（b））、采样点地表植被的清除、采样器采样（见图4（c））、样品的保存（见图4（d））等操作。该部分虚拟仿真实验尤其详细还原了泥炭采样器的安装以及泥炭剖面的采样。随后进入室内测定环节，学生依次进行沉积物剖面处理、剖面分层特征描述、剖面分层取样、样品处理、沉积物年代测定等操作。该部分实验详细还原了沉积物测年仪器——串联加速器质谱仪，以及沉积物年代测定实验操作。

图4 泥炭剖面野外采样过程虚拟仿真实验

本模块的设计有助于学生理解泥炭藓强大的储水能力和水源涵养功能，熟悉泥炭藓沼泽湿地土壤的剖面特征，进而理解泥炭藓湿地中沉积物可反演全球气候变化的功能。

（3）泥炭藓湿地植被环境分析模块。在了解泥炭藓湿地重要生态功能的基础上，进一步设计实验，促进学生对泥炭藓湿地植被环境特征及其与湿地生态功能相关性的理解。该模块主要包括泥炭藓沼泽湿地地下水位监测实验，学生在虚拟仿真的泥炭藓湿地场景中，选取10 个样点，通过土壤钻孔（见图5（a））、聚氯乙烯（PVC）管安装（见图5（b））、水位尺测量与记录（见图5（c），（d））、计算等步骤完成地下水位的测定。该部分虚拟仿真实验尤其详细还原了水位尺测定地下水位的操作步骤，并在外观及声音上均对水位尺进行了逼真还原。另外，样品酸碱度（pH 值）测定实验是自然地理实验室常规实验，在真实实验室操作完成，体现出虚拟仿真实验设计中“能实不虚”的基本原则［15］。通过本实验，使学生掌握泥炭藓沼泽湿地地下水位监测方法，熟悉泥炭藓湿地植被环境特征，进而理解地下水位梯度、酸碱梯度是泥炭藓沼泽湿地植被演替的关键环境因子。

图5 地下水位测定过程虚拟仿真实验截图

（4）泥炭藓湿地植被环境分析模块。在掌握泥炭藓湿地植被环境特征基础上，继续深化实验设计，引导学生增加对泥炭藓湿地植物群落组成独特性的理解。该模块虚拟仿真10 种湿地常见植物组成物种库（7 种泥炭藓湿地植物，3 种非泥炭藓湿地植物），学生通过对每种植物生长习性和生境特征的描述来鉴别是否为泥炭藓湿地植物，进而选择正确物种，并可自由选择物种生长位置及物种数量。通过物种、位置、数量三要素的组合配置，让学生以游戏的方式来构建专属自己的独一无二的泥炭藓植物群落（见图6）。通过本实验，使学生能够鉴别泥炭藓湿地植物群落内的常见种类并理解其在物种组成上和群落结构上的独特性。

图6 泥炭藓湿地植物群落构建效果

（5）泥炭藓湿地植被演替模拟模块。在理解泥炭藓湿地植物群落结构及物种组成的独特性，以及湿地植被与其生态功能的密切相关之后，我们期望学生能够更进一步的掌握泥炭藓湿地植被的演替过程。然而，泥炭藓湿地植被的演替时间较长，野外调查观察到的只是演替的“静态结果”，而无法看到演替的“动态过程”［16］。本项目通过虚拟仿真，以动画形式展示了泥炭藓沼泽湿地由富营养碱沼向贫营养酸沼逐渐发展的正向演替过程（见图7），以及泥炭藓沼泽湿地由贫营养酸沼向富营养碱沼发展的逆向演替过程，使学生对泥炭藓沼泽湿地发育各个阶段植被的变化状况有更深入的了解，从而掌握泥炭藓沼泽湿地植被的演替规律。此外，还设计了5 种影响泥炭藓湿地植被演替的因素，学生点击相应选项可观看该因素影响泥炭藓湿地植被演替的完整动态过程，让学生了解泥炭藓湿地形成和退化的主要原因，强化其对泥炭藓湿地保护重要性的认知。

图7 泥炭藓湿地植被正向演替过程

（6）综合考核与报告模块。学生完成所有实验模块后，可查看当前实验的操作情况和考核情况。随后学生在线撰写实验报告，应包含实验目的、原理、步骤、结果及数据分析。此部分分为系统自动生成部分和学生自主编辑部分。教师线上批阅实验报告，并在网上发布成绩。

2 虚拟仿真实验在教学中的应用

该虚拟仿真实验项目坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的教学理念，按照“虚实结合、能实不虚、以虚补实”的原则，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。该项目促进学生自主式、探究式学习，调动了学生参与的积极性，提高了学生的创新与实践能力。

2.1 问题式教学法的相关知识储备

学生在学习完植物地理学中“主要陆地植被类型分述”部分的理论课程后，对显域性植被与隐域性植被的不同环境条件与植被特征有一定的了解，以及能够区分清楚隐域性植被中沼泽植被与草甸、水生植被。此外，学生对于泥炭藓形态特征及泥炭藓沼泽湿地植被物种组成特征、亚热带山地泥炭藓沼泽湿地的重要功能及其保护与恢复的重要意义、人为干扰条件下泥炭藓沼泽湿地植被演替规律等均有了初步了解。这些知识储备都为学生提出科学问题并正确回答问题奠定了基础。

2.2 虚拟仿真实验线上操作

采取线上形式进行虚拟仿真实验教学，学生可在教师的引导下或根据虚拟实验平台中相关提示自主完成实验，完成虚拟仿真实验后系统直接给出评分。本实验基于前期的知识储备，学生操作虚拟仿真实验软件，从不同的角度进一步认识泥炭藓形态结构、掌握亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被形成的环境条件、植被特征及演替规律，也为学生深入理解相关科学问题，特别是探究泥炭藓沼泽湿地保护与全球气候变化等前沿科学问题奠定了基础。

2.3 线下讨论交流与探究总结

在知识储备、问题式教学、虚拟仿真实验操作基础上，教师可以针对“全球气候变化下的泥炭藓沼泽湿地保护”这一主题凝练讨论专题，让学生分小组讨论，并以科研小论文的形式撰写研究报告。专题讨论旨在锻炼学生文献综述、结果分析讨论、实验总结、新的科学问题凝练与提出等能力，进而培养学生的科研思维和创新实践能力。

3 本虚拟仿真实验的特色

（1）实验设备和实验对象的精准建模仿真。为使学生直观地了解实验设备、实验对象及其他实验要素，本虚拟实验依照“实物”高精准建立相关模型。如核心实验设备串列加速器质谱仪（图8（a）），核心实验对象泥炭藓（图8（b））和泥炭柱等。

图8 实物（左）与虚拟模型（右）

（2）实验操作流程的真实还原再现。本虚拟实验的操作流程依据“实物实验”进行真实还原，目标是学生完成虚拟实验后能够独立进行实物实验操作。如泥炭采样器的安装及采样，地下水位测定。

（3）实验数据与科研成果的良好融合验证。本虚拟实验以科研成果和科研数据为基础构建虚拟实验数据库，虚拟实验融合了科研探索，科研过程和成果能够在虚拟实验中得以重现和验证。

（4）实验设计思路循序渐进，不断深化。实验首先设计让学生认识泥炭藓沼泽湿地的关键物种——泥炭藓，通过多种展示方式强化学生对泥炭藓植株形态特征及微观结构的认知，在此基础上进一步设计泥炭藓沼泽湿地植被生态功能模块，加深学生对泥炭藓湿地重要生态功能的理解。随后继续通过泥炭藓湿地植被环境分析模块促进学生对泥炭藓湿地植被环境特征及其与湿地生态功能相关性的理解。在掌握泥炭藓湿地植被环境特征基础上，深化实验，设计构建泥炭藓湿地植物群落模块，引导学生深刻理解泥炭藓湿地植物群落组成的独特性。最后通过泥炭藓湿地植被演替模拟模块，使学生掌握泥炭藓沼泽湿地植被的演替规律，了解泥炭藓湿地形成和退化的主要原因，强化其对泥炭藓湿地保护重要性的认知。

4 结 语

虚拟仿真实验以亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被的保护为主线，将泥炭藓的形态构造、泥炭藓湿地的生态功能等核心要素进行虚拟仿真，利用虚拟仿真技术将专业知识技能与信息技术深度融合，形成操作性、交互性、沉浸感极强的虚拟仿真项目。学生在虚拟实验操作中，身临其境观察了解泥炭藓的形态结构，认识泥炭藓沼泽湿地植被的主要植物种类，理解泥炭藓植被的生态功能，掌握泥炭藓沼泽湿地植被的含水量、地下水位、土壤剖面及泥炭沉积物测年等调查测量方法，掌握泥炭藓沼泽湿地植被演替的规律，探讨泥炭藓沼泽湿地的保护策略。本项目解决了实验材料泥炭藓难以采集获取、原生生境难以到达的问题；同时，突破了时空与成本的限制，学生可以随时随地通过浏览器访问该项目进行自主学习。通过该方式，不仅使教学过程具备直观性、主动性和趣味性，还能促进学生自主式、探究式学习，激发了学生的实验兴趣，提高学生的实验操作技能，实现教学从讲授型向研究型转变，提高整体实验教学质量。