植物的水分代谢.ppt
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1、,第三节 植物根系对水分的吸收,根系是陆生植物吸收水分的主要器官。,一、根系吸水的部位,根吸水的部位主要是在根的尖端,包括根冠,根毛区,伸长区和分生区。吸水的部位以根毛区为主。,因为根毛区有许多根毛,吸收面积大;同时根毛区的外部是由果胶质组成的,粘性强,亲水性也强,有利于与土壤颗粒粘着与吸水;而且根毛区的输导组织发达,对水分移动的阻力小,所以,根毛区的吸水能力最大。,在移植幼苗时应尽量避免损伤幼根。,二 根系吸水的途径,三、根系吸水的动力/机理,植物吸水有主动吸水与被动吸水两种方式。,主动吸水的动力是根压,被动吸水的动力是蒸腾拉力。,(一)根压与主动吸水,1.根压、伤流与吐水,主动吸水(act
2、ive absorption of water)是由于根系代谢活动引起的根系吸水。,植物根系生理活动促使水分从根部上升的压力称为根压(root pressure)。是木质部中的正压力。,根压把根部的水分压到地上部,土壤中的水分不断补充到根部,这就形成了根系吸水过程。,所以根压是主动吸水的动力。,伤流与吐水,A 伤流 如果从植物的茎基部靠近地面的部位切断,不久可看到有液滴从伤口流出。这种从受伤或折断的植物组织中溢出液体的现象,叫做伤流(bleeding)。流出的汁液是伤流液(bleeding sap)。,伤流量的多少可做为根系生理活动的一个指标。常用伤流液来研究根系代谢。,根压的存在可以通过下面
3、两种现象证明:,B 吐水 从植株的叶片尖端或边缘的水孔向外溢出液滴的现象,这种现象称为吐水(guttation)。,吐水也是由根压引起的。水分是通过叶尖或叶缘的水孔排出的,有时也可在叶的气孔或枝条的皮孔上发生。在土壤水分充足、潮湿温暖、蒸腾弱的环境中易观察到吐水现象。,2.根压产生的机理,渗透理论:根压的产生是一个渗透过程,可以用下面的现象来证明:,当把植物根部放在纯水中,植物的根压增加,伤流加快;,如果把植物根部放在浓溶液中,植物的根压下降,伤流减少,已流出的伤流液甚至会被重新吸回去;,如果用物理因素或化学因素将植物根部的细胞膜的选择透性坡坏,那么植物便没有根压也不出现伤流。,根部导管与外液
4、之间是如何建立起渗透系统的?,内皮层上具有四面木栓化加厚的凯氏带,不能允许水分和物质自由通过。,水分通过内皮层只能通过内皮层上的原生质部分。,整个内皮层细胞就象一圈选择性透膜把中柱与皮层隔开。,只要中柱中的水分与皮层中的水分存在水势差,水分便会通过渗透作用进出中柱了。,土壤中的溶质可以与水分一起通过质外体向根部扩散,当达到内皮层以后,扩散被凯氏带阻挡。,这一理论可以称为代谢理论。,通过代谢(根压产生的代谢理论),根系皮层的薄壁细胞利用呼吸产生的能量,主动地吸收土壤和质外体中的离子,并将吸收的离子通过胞间连丝主动转运至内皮层内的中柱中去。使导管中的离子浓度升高,水势降低。这样就建立了一个跨越内皮
5、层的水势梯度,水分就会通过渗透作用进入中柱,产生根压。,(二)蒸腾拉力与被动吸水,1.被动吸水(passive absorption of water),被动吸水是由于枝叶蒸腾引起的根部吸水,吸水的动力来自于蒸腾拉力。,通过蒸腾拉力引起的根系吸水称为被动吸水。,2.蒸腾拉力(transpirational pull),正在蒸腾的植物其被动吸水所占的比重较大,这时植物的吸水主要是被动吸水。蒸腾速率很低的植株,如春季叶片尚未展开时,主动吸水才占较重要的地位。,由于蒸腾作用产生水势梯度使植物体内水分上升的力量称为蒸腾拉力。,三、影响根系吸水的条件,影响土壤水势和根水势的因素都会影响根系吸收水分。,(
6、一)土壤水分状况,土壤中的水分可以分为三大部分:,1.吸湿水(或称束缚水 bound water),是与土壤颗粒或土壤胶体紧密结合的水。,2.重力水(gravitational water),主要存在较大的土壤空隙中,可以因重力作用而下降。,3.毛细管水(cappilary water),它是存在于土壤毛细管内的水分,并能沿毛细管不断上升,直至土壤表面。这部分水是被植物利用的最多且利用时间最久的水分。,田间持水量:土壤保水能力的指标,指当土壤中重力水全部排除后,保留全部毛管水和束缚水时的土壤含水量。,萎蔫,(1)萎蔫(wilting):植物吸水速度跟不上失水速度,叶片细胞失水,失去紧张度,气孔
7、关闭,叶柄弯曲,叶片下垂,即萎蔫。有两种状况:暂时萎蔫与永久萎蔫,(2)暂时萎蔫(temporary wilting):是由于蒸腾大于吸水造成的萎蔫。发生萎蔫后,转移到阴湿处或到傍晚,降低蒸腾即可恢复。这种萎蔫称为暂时萎蔫。,(3)永久萎蔫(permanent wilting):植物刚刚发生萎蔫就转移到阴湿处,仍不能恢复。主要是由于土壤中缺少可利用水引起的,仅靠降低蒸腾不能恢复。这种萎蔫称为永久萎蔫。,(二)土壤温度状况,温度影响根系呼吸,不适宜的低温、高温都会对植物根系吸水产生极为不利的影响。,低温抑制根系吸水的主要原因是:,(1)低温使代谢活动减弱,呼吸减弱,影响根系的主动吸水。,(2)低
8、温使原生质以及水的粘滞性增加,水分不易透过。,(3)根系生长受到抑制,使水分的吸收表面减少。,所以,“午不浇园”。,高温导致酶活性下降,甚至失活,引起代谢失调;另外,还能加速根系的衰老,使根的木质化程度加重,这些对水分的吸收都是不利的。,(三)土壤通气状况,通气良好的土壤中,根系的吸水力较强。,一方面土壤通气良好,氧气充足,根系呼吸正常,提高主动吸水能力;另一方面,促进根系发达,扩大吸收表面。,相反,土壤通气差,不仅引起吸水受阻,时间长了还会造成根系中毒死亡。,因为土壤通气差,O2含量降低,CO2浓度增高,短期内可以使根系呼吸减弱,影响根压,从而阻碍吸水;时间较长,则会引起根细胞进行无氧呼吸,
9、产生和积累酒精,根系中毒受伤,吸水更少。此外,缺O2还会产生其它还原物质(如Fe2+、NO2、H2S等),不利于根系的生长。,生产中,涝害致死是由于根系缺氧造成;施用大量的未腐熟的有机肥,微生物活动消耗了大量的氧气,根系缺氧,不利于根系的生长与吸收功能;中耕松土是为了增加土壤通气。,土壤通气差引起根系中毒的原因:,Figure 22.23 A flooded maize field.Flooding in the US Midwest in 1993 resulted in an estimated 33%reduction in yield compared with 1992.,(四)土壤
10、溶液状况,土壤溶液浓度高,水势低,根系吸水困难,浓度过高,水势低于根系的水势,则植物便不能从土壤中吸水,水分倒流。,盐碱地/重金属含量高的上植物不能正常生长的原因之一就在于土壤溶液浓度太高。,一次施用过多,造成土壤水势过低,严重时,可能产生植物水分外渗而枯死,出现“烧苗”现象。,这种由于土壤溶液浓度过高,水势低,根系吸水困难,造成的植株干旱,称为生理干旱。,第四节 植物的蒸腾作用,一、蒸腾作用的生理意义、方式和指标,植物体内的水分以气态散失到大气中去的过程叫做蒸腾作用(transpiration)。,蒸腾与蒸发是两个不同的过程:,蒸腾是一个生理过程,受植物本身的生理活动所调控。,蒸发是一个纯物
11、理过程,它主要取决于蒸发的面积,温度和大气湿度。,(一)蒸腾作用的生理意义,1、在炎热的天气条件下,植物的蒸腾作用可以降低叶片的温度。,2、可以促进对矿质的吸收和转运以及有机物的运输。,3、促进水分的吸收和运输。,根系吸收的矿物质随着蒸腾流向上运输。但矿物质的吸收量与水分的蒸腾量并不成正比。因为矿物质的吸收以主动吸收为主。,蒸腾作用所产生的蒸腾拉力是植物被动吸水和水分在植物体内传导的重要动力。它有助于植物把水分从根部运到植物的顶部。这对于高大的树木很重要。,(二)蒸腾作用的方式,幼小的植株,地上部各部位都可散失水分;成年植株则受到限制。主要通过三种途径,以叶片为主。,1.皮孔蒸腾(lentic
12、ular transpiration),木本植物经由枝条的皮孔和木栓化组织的裂缝而散失的水分的过程,属于皮孔蒸腾。占的比例较小。,2.角质层蒸腾(cuticular transpiration),指通过叶片和草本植物茎的角质层进行的水分散失。角质层的厚薄影响角质层蒸腾的比重。,3.气孔蒸腾(stomatal transpiraton),指植物体内的水分通过叶片上张开的气孔扩散到体外的过程。可占蒸腾总量的8090。气孔蒸腾是中生植物和旱生植物蒸腾的主要方式。,(三)蒸腾作用的指标,1蒸腾速率(transpiration rate),植物在单位时间内,单位叶面积通过蒸腾作用所散失水分的量称为蒸腾速
13、率,也可称为蒸腾强度。一般用gm-2h-1或mgdm-2h-1表示。现在国际上通用mmolm-2s-1,3蒸腾效率(transpiration efficiency)或蒸腾比率(transpiration ratio),指植物每蒸腾1Kg水时所形成的干物质的量。常用gkg-1表示。一般植物的蒸腾效率在18gkg-1。,植物在一定生长时期内的蒸腾失水量与积累的干物质量之比。一般用每生产一克干物所散失水量的克数gg-1来表示,又称为需水量(water requirement)。蒸腾系数越小,植物对水分利用越经济,水分利用效率越高。植物的蒸腾系数在100-1000之间。,2蒸腾系数(transpir
14、ation coefficient),二、气孔蒸腾,气孔不仅是植物水分散失的通道,而且还是CO2进入植物体的门户。植物所面临的一个重大问题就是如何以最少的水分散失来获取最大的CO2同化量。,(一)气孔的大小,数目及分布,气孔的数目很多,每平方厘米叶片上少则有几千个,多则达10万个以上。但所有气孔的总面积不到叶面积的1。,分布于叶片的上表皮及下表皮。但不同类型植物叶片上下表皮气孔数量不同。,双子叶植物的气孔多分布在下表皮上;谷类植物如玉米、水稻和小麦等气孔在上下表皮的数目较为接近;水生植物的气孔只分布在上表皮。,(二)经过气孔的扩散小孔律,1.气孔蒸腾的过程分析,首先在细胞间隙和叶肉细胞的表面的
15、水分蒸发。,两个步骤:,第二步是充满气室的水气通过气孔扩散到大气中去。,蒸发快慢与蒸发的面积成正比,实际上叶子的内表面(即叶肉细胞的表面)要比叶子的外表面大得多。这样大的表面上,水分很容易变成气体,使细胞间隙的水蒸气达到饱和。所以,一般用叶温下的饱和蒸气压来估算叶片的水蒸气压。,这一步是蒸腾快慢的关键。主要决定于气孔阻力。,图18 叶片中水分蒸腾的途径(及CO2吸收的途径),3.水分通过气孔的扩散,蒸腾作用相当于水分通过一个多孔表面的蒸发过程。而气体通过多个小孔表面的扩散速度不是与小孔的面积成正比,而是与小孔的周长成正比。这就是小孔律(small pore diffusion law)。小孔扩
16、散又称周长扩散(perimeter diffusion)。,植物叶片上的气孔面积虽小,但数目很多,周长与面积比很大,正符合小孔扩散规律,所以蒸腾失水量要较同等面积的自由水表面大得多。,为什么叶片的蒸腾速率比同等面积自由水面上的蒸发快?,叶片上的气孔数目虽然很多,但每个气孔的面积很小,总面积仅占叶片面积的1%左右。按照蒸发的原理,蒸发量与蒸发面积成正比。那么,通过气孔的水分扩散也不会超过与叶片同样面积的自由水面的1%。但实际通过气孔的扩散超过同面积自由水面的50%以上。这一现象可以用小孔扩散原理去解释。,蒸发速度之所以与小孔周长成正比,是因为气体分子向外扩散时,处在气孔中央的气体分子彼此碰撞,故
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