影响树木生长高度因素的研究

1 存档编号 赣南师范学院学士学位论文 影响树木生长高度因素的影响树木生长高度因素的 研究研究 教学学院教学学院 物理与电子信息学院 届届 别别 2011 届 专专 业业 物理学 学学 号号 070800068070800068 姓姓 名名 颜熠乔 指导老师指导老师 钟握军 完成日期完成日期 2011 5 2 目目 录录 摘要 3 关 键 词 3 Abstract 3 Key words 3 引 言 1 根压对树木生长高度的影响 1 1 根压现象 1 2 根压的特征 1 3 影响根系吸水的土壤条件 1 3 1 土壤中的可用水分 1 3 2 土壤的通气状况 1 3 3 土壤温度 1 4 根压的两种解 释 2 毛细现象对树木生长高度的影 响 2 1 附加压 强 2 2 上升高 3 度 3 实例对 比 3 1 桐花树的简介 3 2 高度计算 3 3 结果分析 4 蒸腾作用对树木生长高度的影 响 4 1 蒸腾作用的方 式 4 2 蒸腾拉力 5 总 结 6 参考文 献 7 致谢 摘摘 要要 本文通过对树木中水的吸收与运输过程的描述 讨论与分析影响 树木生长高度的三个主要因素 毛细现象 蒸腾作用 根压 通过理论的分析 与计算 测算出水在树木中上升的高度 由此推测树木的高度 并将理论数据 与某种树木的实际高度相比较 分析其中的差异 做出定性的结论 关键词关键词 毛细现象 蒸腾作用 根压 水的运输 AbstractAbstract Based on the trees in the water absorption and transportation process description discussion and analysis of tree growth height of three main factors capillarity transpiration root pressure Through theoretical analysis and calculation 4 estimated increase in water height in the trees which indicated that the height of the trees and some kind of theoretical data and compare the actual height of the trees to analyze the differences to make qualitative conclusions KeywordsKeywords Capillarity transpiration root pressure water transport 引言引言 美国亚利桑那州立大学的乔治 科赫博士率先爬上世界最高的5棵树进行水 分输送测量 其中最高的一棵是生长在美国加利福尼亚州 有 世界第一高树 美誉的红巨杉 此树高112 7米 与30多层高的大厦相当 在这些树的顶部 他们 找到了处于缺水状态的叶子 这些叶子与在极端干早的沙漠中生长的植物叶子 很相似 尽管土壤中水分充足 但树木将水分从根部经由木质部再运送至树顶的 叶子时 必须克服重力与导管内摩擦力的阻碍 研究发现 水从这典树木的根部运 输到顶部所需要的时间长达24天 由此科学家得出结论地球上树木高度的极限 为122 130米 如果超过这高度 水分将难以抵达树顶 树顶上的光合作用便无法 进行 水分是植物细胞的重要组成成分 植物代谢过程的反应物以及光合 呼吸 作用的原料和各种生理生化反应和物质运输的介质 没有水 植物的这些生理生 化过程都不能进行 而水分必须从根沿着木质部通道运输到树冠上部才能参与 这些反应 水分在树体内尤其是在高大乔木体内的运输一直是很多植物生理生 态学家所关注的一个重要问题 树木不能无限生长的主要原因是地球引力 即 重力 重力的存在严重阻碍了水分在树木内的顺畅运输 特别是将水分运输到 很高的树顶更是困难 我们知道 植物是通过从叶子表面气孔中蒸发水分所产生的动力来从根部 吸收水分并将其运输到顶部的 因此 测量树木中水上升的高度极限是确定树 木生长高度的重要依据 本文概括和总结了影响水分吸收与运输的三个关键因 素 试图通过物理与生物学的结合 更加准确的概述影响树木生长高度的因素 同时 希望为生物物理这门交叉学科的发展和研究打下基础 1 1 根压对树木生长高度的影响根压对树木生长高度的影响 根压指的是植物通过消耗能量 通过主动吸收离子 水分随浓度差往上沿 5 木质部运动的生理过程 根压是植物体除蒸腾作用外第二个为水分逆重力流动 提供动力的过程 根压把根部的水分压到地上部 土壤中的水分便不断补充到 根部 这就形成根系吸水过程 这是由根部形成力量引起的主动吸水 水和溶解其中的离子通过外质体 Apoplast 到达根的内皮层 Endodermis 为内皮层细胞间的凯氏带所阻 不能自由扩散到内面 内皮细胞上载体蛋白选择性地运载离子 离子于是从质外体途径进入到共 质体途径 此过程离子是逆浓度运输 植物需要消耗 ATP 以完成这一过程 离 子运动的结果 造成内皮层离子浓度高于外面 水分自然会随着浓度梯度往中 柱流动 进入木质部 被往上引导到植物的其他器官 1 11 1根压现象根压现象 根压可以通过两个现象证明 一是吐水现象 吐水现象指的是在潮湿的夜晚 植物蒸腾作用因湿度不够 大而被抑制 黎明时分可看到植物叶面上布有水滴 只有在水分充足 大气湿 度大 蒸腾作用较弱的情况之下容易测出 二是伤流现象 伤流现象指从受伤或折断的植物组织中益处液体的一种现 象 当横向截断植物的茎 等待两三分钟后 会发现横截面上布满水珠 1 21 2根压的特征根压的特征 根压一般较低 大多数植物的根压不超过 1 01 105 2 02 105Pa 某些 木本植物和葡萄的根压则更大一些 在正常情况下 根压对植物所起的作用是 有限的 在春季叶片未展开时 蒸腾作用很弱的植株 主动吸水所形成的根压 才成为主要吸水动力 一切影响植物根系生理活动的因素都会影响植物根系根 压作用的吸水 1 31 3影响根系吸水的土壤条件影响根系吸水的土壤条件 根系通常生存在土壤中 所以土壤条件直接影响根系吸水 1 3 11 3 1 土壤中的可用水分土壤中的可用水分 6 图 1 相对扎根深度 土壤的水分对植物来说并不是都能被利用的 根部有吸水的能力 土壤有 保水的能力 土壤中一些有机胶体和无机胶体能吸附一些水分 土壤颗粒表面 也吸附一些水分 植物从土壤中吸水 实质上是植物和土壤争夺水分的问题 植物只能利用土壤中可用水分 available water 土壤可用水分多少与土粒 粗细以及土壤胶体数量有密切关系 粗沙 细沙 沙壤 壤土和黏土的可用水 分数量依次递减 1 3 21 3 2 土壤通气状况土壤通气状况 土壤通气不良 造成土壤缺氧 二氧化碳浓度过高 短期内可使细胞呼吸 减弱 影响根压 继而阻碍吸水 时间较长 就形成无氧呼吸 产生和积累较 多的酒精 根系中毒受伤 吸水更少 作物受涝 反而表现出缺水现象 也 是 因为土壤空气不足 影响吸水 1 3 31 3 3 土壤温度土壤温度 低温能降低根系的吸水速率 其原因是 水分本身的黏性增大 扩散速率 降低 细胞质黏性增大 水分不易通过细胞质 呼吸作用减弱 影响根压 根 系生长缓慢 有碍吸水表面的增加 土壤温度过高对根系吸水也不利 高温加速根的老化过程 使根的木质化 部位几乎达到尖端 吸收面积减少 吸收速率也下降 同时 温度过高使酶钝 化 影响根系主动吸水 土壤溶液所含盐分的高低 直接影响其水势的大小 根系要从土壤中吸水 根部细胞的水势必须低于土壤溶液的水势 在一般情况下 土壤溶液浓度较低 7 水势较高 根系吸水 盐碱土则相反 土壤水分中的盐分浓度高 水势很低 作物吸水困难 施用化学肥料时不宜过量 特别是在沙质土 以免根系吸水困 难 产生 烧苗 现象 1 41 4根压的两种解释根压的两种解释 1 渗透论 根部导管四周的活细胞由于新陈代谢 不断向导管分泌无机盐 和有机物 导管的水势下降 而附近活细胞的水势较高 所以水分不断流入导 管 同样道理 较外层细胞的水分向内移动 2 代谢论 持这种见解的人认为 呼吸释放的能量参与根系的吸水过程 因此 根据以上的介绍我们知道 根压对于树木的生长有着十分重要的影 响的 尤其是对树木根系部的吸水能力起到了关键的作用 但是根部的吸水能 力对于树木生长的高度影响还是较小的 树木主要吸收和运输水的过程还是有 更为关键的因素在起作用 下面我们将研究另一个关键因素 毛细现象 2 2 毛细现象对树木生长高度的影响毛细现象对树木生长高度的影响 毛细作用 是液体表面对固体表面的吸引力 毛细管插入浸润液体中 管 内液面上升 高于管外 毛细管插入不浸润液体中 管内液体下降 低于管外 的现象 毛细现象把几根内径不同的细玻璃管插入水中 可以看到 管内的水面 比容器里的水面高 管子的内径越小 里面的水面越高 把这些细玻璃管插入水 银中 发生的现象正好相反 管子里的水银面比容器里的水银面低 管子的内径 越小 里面的水银面越低 浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象 叫做毛 细现象 能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管 2 12 1 附加压强附加压强 表面张力对液体球的作用好像增加了一个垂直于球面的压强 称为附加压 强 对液滴 附加压强为 对肥皂泡等空心液体球 附加压2 表面张力系数 球面半径 强为 4 表面张力系数 球面半径 2 22 2 上升高度上升高度 8 图 2 水面附加压强 毛细现象是毛细管中弯曲液面的附加压强引起的 若将内径较大的玻璃管 插入可以润湿的水中 虽然管内的水面在接近管壁处有些隆起 但管内的水面 大部分是平的 不会形成明显的曲面 不会产生附加压强 故管内外液面处于 相同的高度 但是 若插入水中的是毛细圆管 则管内液面便形成半径为 R 的 向上凹的曲面 如图 2 所示 附加压强使图中弯月面下面的 A 处压强比弯月面 上面的 D 点压强低 而 D C B 处的压强都等于大气压强 所以弯曲液 2 R 0 p 面要升高 一直升到其高度 h 满足 1 gh R PP A 2 0 的关系为止 其中 为液体的密度 由图可见 毛细管半径 r 液面曲率半径 R 及接触角间有如下关系 2 cos r R 将它代入 1 式 可得 3 gr h cos2 根据物理学的公式推导 我们知道了怎样计算液体在毛细管中上升的高度 这对我们测算水在树木中上升的高度有着直接的借鉴价值 接下来 我们根据 公式来推算桐花树的理论高度 并做一个定量的比较 更直观的说明毛细现象 9 在树木生长中的作用 3 3 实例对比实例对比 3 13 1 桐花树的简介桐花树的简介 红树林是海岸湿地高生产力的生态系统 它们以盐生和胎生特性而别树一 帜 本文研究选择紫金牛科的桐花树 桐花树取自海南琼山东寨港的红树林自 然保护区 海南东寨港的桐花树生长普遍 常呈现为其它红树群落的下木或外 缘 桐花树具有强烈的萌生能力 每丛具有许多萌芽条 桐花树的群落结构简 单 仅具一灌木层 群落高1 3m 3 23 2 高度计算高度计算 根据导管直径测算出桐花树导管中水能上升的高度极限 由此推测出桐花 树的理论生长高度 根据数据 桐花树的导管直径约为 0 0412mm 即导管半径 r 0 0206mm 已知 水的密度 水的表面张力系数 温度为 33 1 10 kg m 31 72 8 10 N m 重力加速度 则利用公式 3 可得出桐花树中 0 20tC 1 10gN kg 0 60 水的上升高度 h 0 35m 3 33 3 结果分析结果分析 因此 我们可以估算出桐花树的平均高度的理论值为0 35m 而桐花树的实 际高度平均为1 3m 这与理论值还是相差比较大的 在毛细作用下桐花树导管 中的水上升的高度远达不到实际高度的顶端 这是不符合自然规律的 这样 我们就可推测可能还有更为关键的因素影响着水的上升高度 那就是我们接下 来要介绍的树木的蒸腾作用 4 蒸腾作用对树木生长高度的影响蒸腾作用对树木生长高度的影响 蒸腾作用是水分从活的植物体表面 主要是叶子 以水蒸汽状态散失到大 气中的过程 是与物理学的蒸发过程不同 蒸腾作用不仅受外界环境条件的影 响 而且还受植物本身的调节和控制 因此它是一种复杂的生理过程 植物幼 小时 暴露在空气中的全部表面都能蒸腾 4 14 1 蒸腾作用的方式蒸腾作用的方式 10 成长植物的蒸腾部位主要在叶片 叶片蒸腾有两种方式 一 图 3 叶片切面结构 是通过角质层的蒸腾 叫做角质蒸腾 二是通过气孔的蒸腾 叫做气孔蒸 腾 气孔蒸腾是植物蒸腾作用的最主要方式 蒸腾作用的生理意义 它是植物 吸收和运输水分的主要动力 可加速无机盐向地上部分运输的速度 可降低植 物体的温度 使叶子在强光下进行光合作用而不致受害 植物蒸腾丢失的水量 是很大的 据估计 1 株玉米从出苗到收获需消耗四 五百斤水 自养的绿色植 物在进行光合作用过程中 必须和周围环境发生气体交换 因此 植物体内的 水分就不可避免地要顺着水势梯度丢失 这是植物适应陆地生活的必然结果 适当地抑制蒸腾作用 不仅可减少水分消耗 而且对植物生长也有利 在高湿 度条件下 植物生长比较茂盛 蔬菜等作物生产中 采用喷灌可提高空气湿度 减少蒸腾 比一般土壤灌溉可增产 蒸腾作用的过程如下 土壤中的水分根毛 根内导管 茎内导管 叶内导管 气孔 大气 4 24 2 蒸腾拉力蒸腾拉力 植物因蒸腾失水而产生的吸水动力叫做蒸腾拉力 叶片蒸腾时 气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而水势下降 所以能从 旁边细胞取得水分 同理 旁边细胞又从另外一个细胞取得水分 如此下去 便从导管要水 最后根部就从环境吸收水分 这种吸水完全是蒸腾失水而产生 的蒸腾拉力所引起的 11 树木所需的水分 主要是由根部从土壤中吸收后 经过根和茎的木质部导 管 运送到叶 花 果实等器官中 在水分的运输途径中 水分沿着木质部导 管上升的动力 主要是蒸腾拉力 植物的蒸腾作用越强 从导管中拉水的力量 也就越大 则失水越多 另外 在导管中水分之间的内聚力很大 从而形成一 条连续的水柱 水柱内的内聚力可使水柱向下降 这样上拉下拽便使水柱产生 张力 水柱张力远比水分内聚力小 因此 可使导管中的水柱不断 这就保证 了水分不断向上运输 这也是水分为什么能够运输到顶端的树叶处的主要原因 再有 树木的蒸腾作用 使得叶片的中的水分大量散失 导致了木质部导 管内的压力远小于外部的大气压强 因此 大气压将根部吸收到的土壤中的水 分挤压到了树木的叶片处甚至于树木顶端 为树木的长高提供了必要的水分 所以 我们可以推测蒸腾作用是影响树木生长高度的主要因素 5 5 总结总结 我们通过对树木根压 毛细现象以及蒸腾作用的介绍和分析 并结合物理 理论计算与生物实际数值对比 发现这三个因素对树木生长高度都有着不同程 度的影响 都是树木生长不可缺少的关键过程 总结出蒸腾作用在其中更是扮 演了主要角色 它对树木生长的高度起到了决定性作用 当然 本文对树木生 长高度的研究忽略了很多自然因素的影响 并不是精确的结论 希望今后在这 方面有更为成熟的研究 得到更为准确