植物与水(水文)

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'植物与水(水文)'
第五章 植物与水§5-1 植物水分生理一、植物体内水分及其生理作用 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% 1.2 植物体内水分类型束缚水:被植物细胞中的胶体微粒紧密吸附, 不能自由运动自由水: 与胶体微粒距离较远,能在植物细 胞间自由移动细胞内束缚水与自由水的比值能反映植物的抗寒性和抗旱性。1.3水分的生理作用 (1) 细胞质的重要组分 (2) 光合作用的主要原料 光 6CO2+6H2O (CH2O)6+6O2+2822kJ 叶绿素(3) 生化反应的介质(反应物或产物)(4)溶解运输养分 韧皮部的向上运输 木质部的向下运输(5) 保持植物体的充涨 叶片的舒展;气孔的开闭 根尖的刚性;花瓣的展开(6) 调节植物体的温度 依赖于植物叶片的蒸腾作用二、植物对水分的吸收 大 气 叶木质部 叶片 气孔 茎木 质部 根木质部 根毛 土壤(一)植物细胞的吸水 1、吸胀作用(Imbibition): 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2、渗透作用(Osmosis) 溶剂分子通过半透膜的扩散作用 半透膜/选择透性膜: 允许溶剂(水)分子自由通过, 而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, 植物细胞原生质膜产生原因: 半透膜两边存在水势差 h 纯水 ψw=ψs +h ψw 糖液 ψs 半透膜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?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。4、植物细胞的水势 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。细胞初始质壁分离时: ψp=0ψw=ψs<0细胞吸水饱和时:ψp=-ψs ψw=05、细胞间的水分运动 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。 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 (二)植物根系的吸水 根尖的根毛区是根系 吸水的主要部位1、根系吸水的动力(1) 根 压(root pressure):主动吸水 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? 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。?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。 (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。2、根系吸水速率及其影响因素 (1) 根系吸水速率: ?? ? ?? Q ? A ? A s r R R 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) 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 三、植物水分的散失-蒸腾(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。3.1 蒸腾作用的生理作用意义 ? 植物吸收运输水分的主要动力 ? 促进植物体内养分的吸收与转运 ? 降低植物体(叶片)的温度 ? 有利于气体交换,有利于光合作用3.2 蒸腾途径和气孔运动 (1) 蒸腾途径 a.皮孔蒸腾: 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 b. 叶面蒸腾 气孔蒸腾 (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%。气孔的形态结构及生理特点 1.气孔数目多、分布广 2.气孔的面积小,蒸腾速率高 3.保卫细胞体积小,膨压变化迅速 4.保卫细胞具有多种细胞器 5.保卫细胞具有不均匀加厚的细胞壁及微纤 丝结构 6.保卫细胞与周围细胞联系紧密(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。 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。(4) 气孔的开闭 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 内壁厚 外壁薄 两头壁薄 中间壁厚保卫细胞(GC)在光下进行光合作用 消耗CO2,使细胞内pH增高 淀粉磷酸化酶水解淀粉为G1P 水势下降 从周围细胞吸水 气孔张开 GC在黑暗中进行呼吸作用 释放CO2,使细胞内pH下降淀粉磷酸化酶把G1P合成为淀粉 水势升高 向周围细胞排水 气孔关闭(2)无机离子泵学说气孔运动和GC积累K+有着密切的关系 H+ 光活化 ψw下降,吸水 ATP酶 K+ K+ - Cl Cl- 质膜 GC 水解 ,GC质膜上具 ATP 泵出 +到细有光活化ATP H 胞壁,造成酶-H+泵 膜电位差 降低, 激活K+ 通道 和 -通道, 水分进入GC, Cl 气孔张开 K+ 和Cl-进 入GC GC在
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