Chapter 5 Plant and Water （ 植物与水 ）

1. Chapter 5 Plant and Water （植物与水）

2. §5-1 植物水分生理 § 5-1water physiology of plant

3. 一、植物体内水分及其生理作用 Water and its physiological function of plant 1.1 植物体内含水量 植物种类：水生>陆生 草本>木本 块茎类、蔬菜>禾谷类 器官类型：根、肉质茎、叶：60％～90％ 树干：40％～50％ 风干成熟种子：10％～15％

4. 1.2 植物体内水分类型 bonding water(束缚水)：be adsorbed by colloidal particles in plant cell; can not move freely free water(自由水):far from the colloidal particles and can move freely in and between plant cells The ratio of bonding water to free water in plant cells indicate the cold resistance and drought resistance of plant.

5. (2) main raw material for photosynthesis • 6CO2+6H2O （CH2O)6+6O2+2822kJ light chlorophyll 1.3水分的生理作用（physiological fuction of water） (1)important component of cell protoplasm • (3)medium（reactant or resultant）for all biochemistry reaction

6. (4)dissolve and transport nutrient • upward transportation in xylem • and downward in phloem • (5)keep the turgidity of plant body • spreading of leaves; opening ofstomas; • rigidity of root tips; blooming of flowers • (6) adjust the temperature of plant body • depending on the transpiration of leaves

7. Atmosphere Leaf xylem Leaf Leaf stoma Stem xylem Root xylem Root hair soil 二、植物对水分的吸收 Water uptake by plant

8. （一）植物细胞的吸水 Water uptake by plant cells 1、吸胀作用（Imbibition）:亲水性胶体吸水膨胀的现象,是未形成液泡前的吸水方式 干种子吸水萌发(germination） 根尖分生组织细胞

9. 2、渗透作用（Osmosis） 溶剂分子通过半透膜的扩散作用 渗透作用发生的条件： 1、半透膜/选择透性膜 (Semipermeable membrane/ Selective permeable membrane)： 允许溶剂（水）分子自由通过， 限制溶质分子（无机离子或有机分子）透过。 火棉胶袋，动物膀胱膜， 植物细胞原生质膜

10. 2、 半透膜两边存在水势差 ψw=ψs ＋h ψs ψw h

11. 3、植物细胞的渗透作用 细胞壁：全透性 原生质层:（细胞膜 ＋中质＋液泡膜） 相当于半透膜 外界溶液－原生质层－细胞(液泡)液构成渗透系统 内渗: c外界<ccell，细胞吸水 外渗:c外界>ccell，细胞失水

12. 质壁分离（plasmolysis）： • 植物细胞失水时，因原生质的收缩性大于细胞壁的伸缩性，使原生质与细胞壁分离。 • 质壁分离后降低外界溶液浓度，水分内渗，使质壁复合。

13. 4、植物细胞的水势 ( water potential of plant cell） 未形成液泡时：ψt = ψm＋ψp ＋ ψs 有液泡时：ψt =ψp＋ ψs 渗透势（ψs）/ Osmotic potential： 决定于细胞液中溶质分子的总数，一般为负值 压力势（ψp）/ Pressure potential： 细胞壁伸缩性对细胞内容物产生的静水压（细 胞壁受细胞吸水的膨压作用而产生的反压力）。 一般为正值，质壁分离时ψp＝0。

14. 细胞初始质壁分离时： ψp＝0 ψw＝ψs<0 细胞吸水饱和时： ψp＝－ψs ψw＝0

15. 根部 地上部 根周边 根中柱 下位叶 上位叶 叶片中脉 叶片边缘 5、细胞间的水分运动 ( water movement between plant cells) 相邻单细胞：水分从水势高的细胞向水势低的细胞运动，且水势差越大，运动越快。 多细胞之间： 沿水势梯度（water potential gradient）降低的方向运动。

16. （二）植物根系的吸水 Water uptake by root system of plant Root hair zone of the root tip (根尖的根毛区) is the main part for water uptake

18. 1、根系吸水的动力 ( driving power for water uptake by roots) 根压（root pressure）: 主动吸水 蒸腾拉力（transpiration pull）：被动吸水

19. (1) 根 压（root pressure） 由于根系的生理活动使水分从根部向上提升的压力。是无叶面蒸腾时植物吸水的主要方式。0.1～0.2MPa Root pressure is one of the phenomena used by vascular plants to move water into the leaves. The water in the soil tends to be poorer in solutes than the water in the plant's cells, due to the plant's active absorption of dissolved nutrients. The resulting solute potential gradient causes water to flow into the roots. Root pressure is capable, under ideal atmospheric conditions, of pushing water one or two feet above the ground.

20. 伤流现象（Bleeding）：沿地面将健壮植株地上部分切除，切口就会有水液流出的现象。伤流现象（Bleeding）：沿地面将健壮植株地上部分切除，切口就会有水液流出的现象。

21. 吐水现象（guttation）： • 在空气湿度大的清晨，一些植物幼苗的叶尖出现水珠的现象。

22. 根 压的生理基础 渗透理论：由于植物活细胞的新陈代谢造成根木质部－根皮层－根毛细胞的水势梯度。 根部导管四周的活细胞进行新陈代谢，不断向导管分泌无机盐和有机物，导管溶液的水势就下降，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。最后，土壤水分沿着根毛、皮层，流到导管，进一步向地上部分运送。值得注意的是内皮层细胞壁上的凯氏带，它环绕在内皮层径向壁和横向壁上，木栓化和木质化，而细胞质牢牢地附在凯氏带上，所以水分既不能在壁中作径向运动，也不能在壁和质膜之间移动，而只能通过内皮层的原生质体。这样，内皮层就起着半透性膜的作用。持这种看法的人认为，根在吸水过程中起渗透计(osmometer)的作用，水分从水势较高的土壤溶液，经过由内皮层细胞组成的“半透膜”，进入水势较低的木质部中去。

23. 代谢理论： 呼吸释放的能量参与根系的吸水过程。例如，当外界环境温度降低、氧分压下降或呼吸抑制剂存在时，根压、伤流、吐水或根系吸水便会降低或停顿；相反，低浓度的生长素溶液则能促进伤流速度。

24. (2)蒸腾拉力（transpiration pull） 叶面蒸腾使气孔附近叶肉细胞水势下降，进而从相邻细胞吸水，依次到中脉—茎导管－根。 是旺盛蒸腾时根系吸水的主要动力。 Transpirational pull results ultimately from the evaporation of water from the surfaces of cells in the interior of the leaves. This evaporation causes the surface of the water to pull back into the pores of the cell wall. Inside the pores, the water forms a concave meniscus. The high surface tension of water pulls the concavity outwards, generating enough force to lift water as high as a hundred meters from ground level to a tree's highest branches.

25. Q : 单位时间内根系吸收水量； A :根系的吸收表面积； R： 水从土壤进入根系所受的阻力； Ψs：土壤水势； Ψr： 根系水势 2、根系吸水速率及其影响因素 (1) water uptake rate of root:

26. (2) 影响因素 a.土水势（ψs）：ψs越小（土壤含水量越低）， Δψ（ψs –ψr）越小，Q越小。 Ψs＝ψr时（约为-1.5MPa）——土壤：凋萎系数 植物：永久凋萎 b.通气状况： 根系缺O2时水分吸收作用收抑制，吸水速率减小 涝害的影响；植物水培时通气

27. c.土壤温度： 在一定范围内，土温升高，可促进根系吸水 （水粘滞性降低；原生质粘性降低； 呼吸作用增强；促进根系生长） 高温使根系木质化严重，降低吸水速率 夏季作物灌水避免在中午进行（？）

28. 三、植物水分的散失－蒸腾 （Water dissipating of plant－transpiration） 植物体内水分通过植物体表面（主要是叶片）以气态散失到体外（大气）的过程。受植物体结构和气孔运动的影响。 作物吸收1kg水，只合成3～4g干物质，若以碳水化合物计算，只同化1.5～2g水， 其余水都用于蒸腾。

29. 3.1 蒸腾作用的生理作用意义 (physiological function of transpiration) ♠ the power of uptake and transport of water in plant ♠ promoting the uptake and transport of nutrient in plant ♠ cool the plant body (leaf)

30. b.叶面蒸腾 （Leaf transpiration） 3.2 蒸腾途径和气孔运动 (transpiration approach and stoma movement） (1)蒸腾途径 a.皮孔蒸腾（Lenticular transpiration）： 成熟茎枝、花、果实表面；通过木栓层的皮孔 进行；蒸腾量很小。 角质蒸腾 （Cuticular transpiration） 气孔蒸腾 （Stoma transpiration） 气孔蒸腾 （Stoma transpiration）

32. (2) 气孔的分布 每mm2植物叶片上有50～500个气孔： 草本植物：叶片上、下表皮 木本植物：只在下表皮 气孔完全开放时，总面积为叶表面积的1%左右，但蒸腾量可达与叶面积相同的自由水面的50～90%。

33. 水汽在小孔边缘的扩散速率大于小孔中心部位的扩散速率，使小孔扩散的有效面积比气孔实际面积大几十倍。水汽在小孔边缘的扩散速率大于小孔中心部位的扩散速率，使小孔扩散的有效面积比气孔实际面积大几十倍。 (3) 小孔扩散的边缘效应 当水分从较大的面积上蒸发时，其蒸发速率与蒸发面积成正比；但从很小的面积上蒸发时，其蒸发速率与其周长成正比。

34. 内壁厚 外壁薄 两头壁薄 中间壁厚 (4) 气孔的开闭 气孔的开闭是气孔两侧保卫细胞体积和形状发生变化的结果——吸水膨胀，失水收缩

35. (5) 气孔运动机理 苹果酸生成学说（Malate production theory） 淀粉－糖转化学说（Starch－sugar conversion theory） 无机离子吸收学说（Inorganic ion uptake theory） 糖、 K＋、Cl－ 、苹果酸等进出保卫细胞的液泡—— 保卫细胞内水势变化 —— 吸水膨胀，失水收缩 —— 保卫细胞体积和形状发生变化 ——气孔运动

36. (6) 影响气孔运动的因素

37. b.温度（temperature） 30 ℃时开度最大，低于10 ℃不开放 ℃ a.光（light） 主要因素：光下开放，黑暗中关闭

38. c. CO2浓度（CO2）concentration） 低浓度促进开放；高浓度诱导关闭 d.叶片含水量（leave water content） 表皮细胞含水量高，气孔关闭 e.风（ wind） 微风影响很小；大风使气孔关闭 f.化学物质（ chemical matter） 阿特拉津，乙酰水杨酸等抑制气孔开放

39. 3.3蒸腾作用的表示方法 (Express of transpiration) (1) 蒸腾速率/蒸腾强度 （transpiration rate / intensity） 单位时间内单位叶面积（或单位叶片质量） 蒸腾 的水量（g），g/(m2 • h) or g/(100g•h) 白天：15～250 g/(m2• h) 晚上：1～20 g/(m2• h)

40. (2) 蒸腾效率/蒸腾比率 （transpiration efficiency / transpiration ratio） 植物蒸腾消耗1kg水所形成干物质的质量（g数）。 （g/kg；值越大，水分利用效率越高） 野生植物1～8 g/kg；作物 2～10g/kg (3) 蒸腾系数/需水量 （transpiration coefficient / water requirement） 植物每制造1g干物质所蒸腾消耗的水的g数。 （比值，无单位；值越大，水分利用效率越低） 野生植物125～1000；作物 100～500

41. (4) 相对蒸腾量（relative transpiration ） 植物叶片蒸腾水量与相同面积水面蒸发量的比值。 一般为 2～10

42. 3.4 影响蒸腾作用的环境因素 (environmental factors) (1) 影响气孔开闭的所有因素 光 温度 风(微风加强蒸腾作用) (2)大气湿度 大气湿度越小，叶片表面与大气间的蒸汽压差 越大，蒸腾作用越强 (3)土壤条件

43. 晴朗无风的夏天，土壤水分供应充足，空气湿度适中时：晴朗无风的夏天，土壤水分供应充足，空气湿度适中时：

44. 四、植物水分的输导 （Water transportation of plant） 水分运输的途径： 土壤－植物－大气的连续过程（SPAC） 土壤－根毛－根的皮层－根的中柱－根的导管或管胞－茎的导管或管胞－叶柄的导管或管胞－叶脉的导管或筛管－叶肉细胞－叶细胞间隙－气孔下腔－气孔－大气

45. Ψ大气<-50MPa Ψ土＝-0.6MPa Ψ茎＝-0.2～-0.4MPa Ψ根＝0～-0.2MPa Ψ土＝0～-0.2MPa 在土壤－植物－大气连续体中，水分顺着水势梯度降低的方向输导

46. 穿过活细胞的输导： 从根毛至中柱；从叶脉到气孔下腔 距离短，对水分输导的阻力大，输导速度慢 导管或管胞的输导： 中空的无原生质体的死细胞组成的管状体 距离长，对水分输导的阻力小，输导速度快 导管中的水必须连续

47. 内聚力学说（cohesion theory）： 是英国H.H.Dixon提出的。水分子间具有相互吸引的力量，这是水的内聚力。导管中的水柱的一端受到蒸腾拉力的同时，水柱内的内聚力又使水柱下降，这样上拉下拽便使水柱产生张力。水柱张力比内聚力小，所以水柱不会中断。这种以水分具有较大的内聚力保证由叶至根水柱不断来解释水分上升原因的学说，称为内聚力学说，亦称蒸腾—内聚力—张力学说(transpiration－cohesion－tension theory）。

48. §5-2 植物与水的生态关系 Ecological relation between plant and water

49. 一、水分对植物的生态作用 （Ecological effect of water on plant） • 影响种子的萌发 • 影响根系的发育 • 湿涝时：根系生长缓慢，根/冠比小 • 较干燥时：根系发达，分布范围广，主根长 • 影响茎叶生长 • 影响各种生理活动 • 影响农产品质量

50. 1.干旱的类型 二、水分胁迫对植物的危害 （Hurt of water stress on plant） （一）干旱胁迫（Drought stress） 植物耗水大于吸水，体内水分过渡亏缺而受害的现象 大气干旱（atmospheric drought） 大气相对湿度低（<20％），气温高，蒸腾作用 强，气孔持续开放，植株短期内严重失水。 土壤干旱（soil drought） 土壤中缺少有效水，根系吸水不足。 生理干旱（physiological drought） 由于植物生理原因不能吸收土壤水分。