蒸腾作用的生理指标及影响蒸腾作用的因素
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一、蒸腾作用的生理意义和方式 蒸腾拉力是植物被动吸水和运转水分的主要动力。蒸腾作用对于高大的乔木尤其重要。 2.蒸腾作用促进木质部汁液中的物质运输 土壤中的矿质盐类和根系合成的物质可随着水分的吸收和集流被运输和分配到植物体的各部分。 3.蒸腾作用能降低植物体的温度 这是因为水的气化热高,在蒸腾过程中可以散失掉大量的辐射热。 4.蒸腾作用的正常进行有利于co2同化
这是因为叶片进行蒸腾时,气孔是开放的,由此成为co2进入叶片的通道。 蒸腾作用有多种方式。幼小的植物,暴露在地上部分的表面都能蒸腾。植物长大后,茎枝表面形成木栓,未木栓化的表面有皮孔,可以进行皮孔蒸腾(lenticular transpiration),但蒸腾量甚微仅占全部蒸腾量的1%左右,植物的茎、花、果实等部位的蒸腾量也极为有限,因此,植物的蒸腾作用绝大部分是靠叶片进行的。
叶片的蒸腾作用方式有两种:一是通过角质层的蒸腾,叫角质蒸腾(cuticular transpiration)。角质层本身不易让水通过,但其中间含有吸水能力较强的果胶质,同时角质层也有空隙,可以让水分子通过。二是气孔蒸腾(stomatal transpiration)。这两种蒸腾在叶片中所占的比重与植物的生态条件和叶片的年龄有关,实质上就是和角质层的厚薄有关。例如,阴生植物的角质蒸腾往往超过气孔蒸腾。幼嫩叶子的角质蒸腾可达全部蒸腾量的1/3~1/2。一般植物成熟叶片的角质蒸腾,仅占全部蒸腾量的3%~5%。因此,气孔蒸腾是中生和旱生植物蒸腾作用的主要方式。
这个现象可用小孔扩散原理来说明。气体通过多孔表面扩散的速率,不与小孔的面积成正比,而与小孔的周长成正比,这就是所谓的小孔扩散定律(small pore diffusion law)。这是因为在任何蒸发面上,气体分子除经过表面向外扩散外,还沿边缘向外扩散。在边缘处,扩散分子相互碰撞的机会少,因此扩散速率比中间的要快,扩散表面的面积较大时(例如大孔),周长与面积的比值小,扩散主要在表面上进行,经过大孔的扩散速率与孔的面积成正比。然而,当扩散表面减小时,周长与面积的比值即增大,经过缘的扩散量就占较大的比例,且孔越小,所占的比例越大,扩散的速度就越快。
2.气孔蒸腾的过程气孔蒸腾本质上是一个蒸发过程。气孔蒸腾的第一步是位于气孔下腔周围的叶肉细胞的细胞壁中的水分变成水蒸气,然后通过气孔下腔和气孔扩散到叶片的扩散层,再由扩散层扩散到大气中去。 2.苹果酸代谢学说(malate metabolism theory)20世纪70年代以来,人们发现苹果酸在气孔开闭运动中起着某种作用。在光照情况下,保卫细胞内的部分co2被利用时,ph就上升至8.0~8.5,从而活化了pep羧化酶,它可催化由淀粉降解产生的pep与h2co3结合形成草酰乙酸,并进一步被nadph还原为苹果酸。 pep+hco-3草酰乙酸+磷酸 草酰乙酸+nadph(或dndh)苹果酸+nadp+(或dnd+)
苹果酸被解离为2h+和苹果酸根,在h+/k+ 泵的驱使下,使h+与k+交换,保卫细胞k+浓度增加,水势将低;苹果酸根进入液泡和cl-共同与k+在电学上保持平衡。同时苹果酸的存在还可降低水势,促使保卫细胞吸水,气孔张开。当叶片由光下转移到暗处时,该过程逆转。近期研究证明,保卫细胞内淀粉和苹果酸之间存在一定的数量关系。 2.co2 co2对气孔运动影响较大,低浓度co2促进气孔张开,高浓度co2使气孔迅速关闭。在高浓度co2下,气孔关闭的可能原因是:使质膜透性增加,导致k+泄漏,消除质膜内外的溶质势梯度;co2使细胞酸化,影响跨膜质子浓度的建立。 3.温度气孔开度一般随温度的上升而增大。在30℃左右气孔开度最大,超过30℃或低于10℃,气孔部分张开或关闭。这表明,气孔运动是与酶促反应有关的生理过程。
4.水分气孔运动与保卫细胞膨压密切相关,而膨压变化又是由于水分进出保卫细胞引起的,因此叶片的水分状况是影响气孔运动的直接因素。植物处于水分胁迫条件下气孔开度减小,以减少水分的丢失。如果久雨,表皮细胞为水饱和,挤压保卫细胞,气孔关闭。如果蒸腾强烈,保卫细胞失水过多,即使在光下,气孔也会关闭。 (二)影响蒸腾作用的因素 1.影响蒸腾作用的内部因素 (1)气孔频度(stomatal frequency,为每平方毫米叶片上的气孔数),气孔频度大有利于蒸腾的进行。 (2)气孔大小气孔直径较大,内部阻力小,蒸腾快。 (3)气孔下腔气孔下腔容积大,叶内外蒸气压差,蒸腾快。 (4)气孔开度气孔开度大,蒸腾快;反之,则慢。 2.影响蒸腾作用的外部因素蒸腾速率取决于叶内外蒸气压差和扩散阻力的大小。所以凡是影响叶内外蒸气压差和扩散阻力的外部因素,都会影响蒸腾速率。 (1)光照光对蒸腾作用的影响首先是引起气孔的开放,减少气孔阻力,从而增强蒸腾作用。其次,光可以提高大气与叶子的温度,增加叶内外蒸气压差,加快蒸腾速率。 (2)温度温度对蒸腾速率的影响很大。当大气温度升高时,叶温比气温高出2~10℃,因而气孔下腔蒸气压的增加大于空气蒸气压的增加,使叶内外蒸气压差增大,蒸腾速率增大;当气温过高时,叶片过度失水,气孔关闭,蒸腾减弱。 (3)湿度在温度相同时,大气的相对湿度越大,其蒸气压就越大,叶内外蒸气压差就变小,气孔下腔的水蒸气不易扩散出去,蒸腾减弱;反之,大气的相对湿度较低,则蒸腾速率加快。 (4)风速风速较大,可将叶面气孔外水蒸气扩散层吹散,而代之以相对湿度较低的空气,既减少了扩散阻力,又增加了叶内外蒸气压差,可以加速蒸腾。强风可能会引起气孔关闭,内部阻力增大,蒸腾减弱。 第四节 植物体内水分的向上运输 一、水分运输的途径和速度 在土壤—植物—大气连续体中水分运输的具体途径是:土壤→根毛→皮层→内皮层→中柱鞘→导管或管胞→茎导管→叶柄导管→叶脉导管→叶肉细胞→叶细胞间隙→气孔下腔→气孔→大气,水分在植物根、茎、叶内的运输既有质外体运输,又有共质体运输。其中一部分是在活细胞中进行的短距离运输(皮层→根中柱→叶脉→叶肉细胞)。共质体运输虽只有几毫米,但水分通过原生质体部分的阻力大,运输速度慢,一般只有0.01cm/h。另一部分是通过导管或管胞的长距离质外体运输。被子植物中既有导管又有管胞,裸子植物中只有管胞。导管是中空而无原生质的长形死细胞,阻力小运输速度快,一般为3~45m/h;而管胞中由于两管胞相连的细胞壁未打通,水分要经过纹孔才能在管胞中移动,所以阻力较大,运输速度要慢得多,不到0.6m/h。植物根部从土壤中吸收的水分进入根中柱之后,向地上部运输的途径是木质部的导管和管胞。它们占水分运输全部途径(从根表皮到叶表皮)的99.5%以上。水分在木质部中是以集流的方式沿着导管和管胞运输的。通常植物体内水分运输的速率是白天大于晚上,直射光下大于散射光下。 二、水分沿导管上升的机制 世界上高大的乔木如红杉、桉树树高可达100m以上,水分是靠什么力量从根部上升到最高叶片的?这涉及到两个问题,一是动力问题,二是水柱的连续性问题。 水分在导管中的运动是一种集流(mass flow或bulk flow),它是指液体中成群的原子或分子(例如促成水溶液的各种物质的分子)在压力梯度(如水势梯度)的作用下共同移动的现象。其上升的动力是压力势梯度(即水势梯度)。造成植株上下导管中水势梯度的原因:一是根压,二是蒸腾拉力。根压一般不超过0.2mpa,至多能使水分上升20.4m,在一般情况下蒸腾拉力是水分上升的主要动力。强烈蒸腾时,顶端叶片水势可降低到-3.0mpa,而根部导管水势一般在-0.2~0.4mpa,因而根部的水分可顺着水势梯度上升到乔木的顶端。 蒸腾作用产生的强大的蒸腾拉力把导管中的水往上拉,而导管中的水柱为何可以克服重力的影响形成连续水柱而不中断?通常用爱尔兰人h.h.dixon提出的蒸腾流—内聚力—张力学说(transpriation-cosehsion-tension theory)也称为“内聚力学说”(cohesion theory)来解释,即分子的内聚力大于张力,从而能保证水分在植物体内的向上运输。水分子的内聚力很大,可达几十兆帕。植物叶片蒸腾失水后,便向导管吸水,而水又受到向下的重力影响,这样一来,一个上拉的力量和一个下拖的力量共同作用于导管水柱就产生张力(tension)。其张力可达-3.0mpa,但由于水分子之间的内聚力远大于水柱的张力,同时水分子与导管(或管胞)壁的纤维素分子间还有强大的附着力,因而维持了输导组织中水柱的连续性,使水分不断上升。导管水溶液中溶解有气体,当水柱张力增大时,溶解的气体会从水中逸出形成气泡,而且,在张力的作用下,气泡还会不断扩大。这种现象称为气穴现象(cavitation)。植物可通过某些方式消除气穴造成的影响,例如气泡在某些导管中形成后,它会被导管分子相连处的纹孔阻挡,气泡便被固定在一个管道中,当水分运动遇到气泡的阻隔时,可以横向进入相邻的导管分子而绕过气泡,形成一条旁路,从而保持水柱的连续性。 (责任编辑:大汉昆仑王) |