全球氣候變遷-土壤鹽化對植物滲透作用之影響

全球氣候變遷-土壤鹽化對植物滲透作用之影響

原始設計者：彰師大

藉由老師簡介引導、實驗操作、設計實驗及分組報告等教學方式，讓學生瞭解全球氣候變遷、土壤鹽化與對植物生長影響間的關聯性，以及了解科學實驗的方法與精神。

實驗材料:

• 白蘿蔔 1根
• 烘焙壓模器 2個
• 電子天秤 1台
• 燒杯 4個
• 衛生紙 1包
• 食鹽 1包
• 標籤紙 1包

1.現象說明：

海平面上升後使地下水位低於海平面，海水入侵地下水層，造成地下水質鹽化，進而導致土壤鹽化。

蘿蔔滲透壓實驗

   活植物組織的細胞膜為選擇性半透膜，當膜的兩側含濃度不等且無法通過的分子時，造成水分子會向分子濃度高側移動的傾向，此為滲透作用，這種傾向可利用在高濃度側加壓的方式而阻斷，則此時所增加的壓力即為高濃度溶液的滲透壓。

   將植物組織置於不同濃度食鹽水中，水分子因滲透作用而進出細胞膜，進而導致整個組織的重量也跟著改變。

2.探究問題：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說）

• 2.1 海平面上升的原因及可能造成的影響。
• 2.2 海平面上升後使地下水位低於海平面，海水入侵地下水層，造成地下水質鹽化，進而導致土壤鹽化。
• 2.3 蘿蔔滲透壓實驗-1：探討植物組織在不同濃度溶液的滲透情況。
• 2.4 蘿蔔滲透壓實驗-2：還有哪些變因為會影響滲透作用的速率？
• 2.5 蘿蔔滲透壓實驗成果。

3.實作項目

• 3.1 圖A為「全球平均氣溫變化圖」、圖B為「大氣CO2含量變化圖」、圖C為「海平面變化圖」：

圖A

圖B

圖C

• 3.1.1 根據上三張圖所示，各個圖的整體變化趨勢如何? (上升?下降?不變?)
• 3.1.2 請分析這三張圖間的因果關係：
• 3.1.3 請設計一因果關係圖，以顯示下列選項之間的相互關係(框內請填代碼)：

A.海平面上升                     F.陸地減少
B.極地冰川融化                   G.大量森林植被遭受破壞
C.大量燃燒化石燃料               H.大氣中溫室氣體濃度增高
D.上層海水膨脹                   I.地下水鹽化
E.全球氣溫上升

• 3.1.4 承上題的關係圖可知，海平面上升後產生了一些嚴重的現象。請從社會、國家、經濟、生態…等各個面向去討論分析，這些現象接下來將會衍生出什麼樣的問題? (請以因果關係圖的方式呈現)
• 3.1.5 台灣四面臨海，若海平面上升將導致嚴重問題，請你推測台灣深受其害前三個最嚴重的縣市?
• 3.1.6 請利用網站http://flood.firetree.net模擬，當海平面上升5公尺，台灣會變成什麼形狀? (請繪圖著色於下頁的台灣地圖中)。根據模擬結果，前三名的受害縣市為何? 跟你預期的一樣嗎?

• 3.1.7 若你為這些縣市的首長，針對海平面上升導致陸地減少的問題，你會如何因應?提出什麼政策或建設? (請至少列舉三項)

• 3.2 海平面上升後使地下水位低於海平面，海水入侵地下水層，造成地下水質鹽化，進而導致土壤鹽化。

• 3.2.1 除海平面上升以外，還有哪些因素會導致土壤鹽化? (請至少列舉三項)
• 3.2.2 土壤鹽化會造成哪些影響及問題? (請至少列舉三項)
• 3.2.3 如何改善土質或解決土壤鹽化的問題? (請至少列舉三項)

• 3.3 蘿蔔滲透壓實驗-1 溶液的備置

• 3.3.1 利用電子秤秤重食鹽，並配置10%食鹽水1 L。
• 3.3.2 將標籤紙標示10%食鹽水、1%食鹽水、0.1%食鹽水、蒸餾水，依序貼於燒杯上，並取蒸餾水90mL加入前3個濃度的燒杯中。
• 3.3.3 取10%食鹽水10mL+90mL蒸餾水進行序列稀釋，製成1%及0.1%食鹽水。

• 3.4 植物組織的備置

• 3.4.1 將蘿蔔切成厚度為1cm的薄片後，利用壓模器壓塊，製成蘿蔔組織12塊，並用衛生紙輕輕吸乾附著於表面的溶液。量測實驗前蘿蔔組織的重量並作紀錄。
• 3.4.2 將蘿蔔組織依序放入各燒杯中，每個燒杯放3塊組織，靜置30分鐘後取出，用衛生紙輕輕吸附表面液體，觀察並紀錄蘿蔔組織前後重量變化，求出平均值。
• 3.4.3 以組織重量變化量為縱軸，溶液濃度為橫軸，繪出曲線圖。並由實驗結果圖推測蘿蔔的等滲溶液濃度為何。

• 3.5 等待實驗中，請與組員討論並回答下列問題

• 3.5.1 請預期本實驗各燒杯中的蘿蔔組織重量變化情形。
• 3.5.2 除了觀察植物組織重量變化量可得知植物等滲溶液外，還可觀察哪些數據的變化量來求得該植物的等滲溶液濃度？
• 3.5.3 為何實驗前和實驗後皆須用衛生紙輕輕吸附蘿蔔塊表面多餘液體？
• 3.5.4 在此實驗過程中，是否還需注意哪些技巧/細節，可減少實驗數據的誤差數據？(請列出3個，並解釋原因)

• 3.6 實驗結果與討論

• 3.6.1 將實驗結果紀錄於下表

• 3.6.2 繪出食鹽水濃度對蘿蔔組織重量變化圖(縱軸、橫軸須標示清楚)，並推測蘿蔔組織的等滲溶液為多少濃度的食鹽水？
• 3.6.3 主要是何種物質進出細胞進而導致蘿蔔組織的重量發生變化呢？請解釋之。
• 3.6.4 由實驗結果得知浸泡於哪個濃度的食鹽水滲透速率最快，造成蘿蔔組織重量改變率最大？除了溶液濃度高低會影響滲透作用的速率外，是否還有其他因素會影響滲透作用的速率？
• 3.6.5 承上題，請依討論結果設計一套實驗以證明之，並於下週實驗時進行實驗操作。

(1)實驗材料：同本週
(2)實驗流程與步驟：(簡單描述)
註：控制變因---實驗中要保持的相同因素
操縱變因---實驗中要改變的因素

• 3.7 蘿蔔滲透壓實驗-2

• 3.7.1 請依3.6實驗討論的結果，設計並操作實驗以證明還有哪個變因為會影響滲透作用的速率。並寫下本組設計的實驗中，控制變因為何？操縱變因爲何？
• 3.7.2 實驗等待時間，請簡單描述實驗設計、實驗流程與步驟。
• 3.7.3 實驗等待時間，請閱讀短文，並與組員討論並回答問題：

植物可利用光能自行製造有機物以供生存之用，但製造有機物所需要的各種無機物原料，仍須由環境中獲得。有些氣體，如氧氣與二氧化碳等，可以經由葉或莖的表皮氣孔進出植物體，但其餘的水分與礦物質等，則須藉由根部從環境中取得。植物根部吸收水分與礦物質的過程，有被動的純物理現象，也有耗能的主動運輸。 水分進入維管束的過程，純粹是被動的物理現象。一般而言，在土壤與植物根部細胞間的滲透壓梯度為：土壤＜表皮＜皮層＜內皮層＜維管束，因此水分會順著滲透壓梯度，不斷的向根部內部運送。換句話說，若土壤中因為缺水，造成土壤的滲透壓加大時，水分便無法進入植物根部，植物便可能會因缺水而枯萎。(文章來源：修改自<科學Online高瞻自然科學教學資源平台> highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/)

請從滲透壓的觀點去探討，若海平面上升導致土壤鹽化，則此現象將對植物造成什麼嚴重的影響？

• 3.7.4 請自行設計表格將實驗結果紀錄於下方，並繪製圖表以呈現數據間的變化或比較。
• 3.7.5 請分析討論並解釋數據所呈現的結果。
• 3.7.6 請檢討本實驗的整個流程(從設計、操作、數據收集、討論等)有何需要改進的地方。

• 3.8 蘿蔔滲透壓實驗成果：

• 3.8.1 在冰箱還未發明以前，人類為了保存不易獲得的食物，絞盡了腦汁發明了許多保存食材的方法，其中最常用的就是加鹽醃漬的方法。請問若利用滲透壓的科學原理解釋，為何加鹽醃漬可以達到保存食材的目的？
• 3.8.2 開飯了～～～製作清爽開胃的《醃蘿蔔》～～～

根據上週你們實驗設計的結果可知在什麼條件下滲透速率較快，請利用此概念：如何快速醃製美味的蘿蔔? 如何在課堂內的時間讓醃蘿蔔快速入味?
1.食材：蘿蔔、鹽巴、糖、醋、辣椒
2.製作過程：
a.將蘿蔔切成適當大小(厚薄？形狀？大小？)
b.加入鹽巴拌勻後，靜置30min~1hr以去除澀味
c.擰乾倒除滲出的水分後，用開水清洗2~3次
d.依個人喜好加入糖、醋(約1：1)、辣椒、蒜末
e.靜置一段時間後，即可食用

4.分析與結論

• 4.1 根據學習單提供的數據及圖表推測全球氣候變遷與海平面上升的關係，並探討土壤鹽化所造成的影響。
• 4.2 把植物組織(蘿蔔切片)放置在不同濃度下的食鹽溶液中，靜置一段時間後，測量其重量的改變，以研究植物組織在不同濃度溶液的滲透情況。
• 4.3 引導學生從植物根部吸收水分及無機鹽的方法去了解土壤鹽化對植物生長造成的嚴重影響。

5.教學目標與評量

• 5.1 了解全球氣候變遷與土壤鹽化之關係。
• 5.2 了解細胞的滲透作用。
• 5.3 了解土壤鹽化對植物生長之影響。
• 5.4 動手操作植物組織的滲透作用。
• 5.5 設計影響滲透速率的實驗。
• 5.6 完整呈現科學實驗過程，並增進上台報告的能力。
• 5.7 反思土壤鹽化對環境及生態甚至全球的影響。