植物的物质运输

春天来临，一棵大树从冬眠中苏醒。它的根系深深扎入土壤，吸收着水分和矿物质，源源不断地为整个植株提供“原材料”；枝条上的嫩芽开始萌发，需要充足的营养和能量。可这些水分和无机盐是如何从地下十几米深的根部，经过错综复杂的“管道”，一路送到高达几十米的树冠和每一个细胞呢？

还记得我们之前学过的内容，植物的叶子是“能量工厂”，通过光合作用把水、二氧化碳和阳光变成有机物与氧气。而要让这座“工厂”高效运转，水分和无机盐必须源源不断地输入叶片，有机物也要顺利输送到植物的其它部分。于是，植物体内就进化出一套精密的“物质运输系统”，包括水分与无机盐的上行、光合作用产物的下行。它们日夜不停地工作，连接了根、茎、叶等所有部分，就像人体的血管一样，是维持生命活动的关键。

本内容将带你深入探秘这套“管道系统”，弄清楚水分和有机物怎样在植物体内流动——正如我们之前学到的：只有物质不断运输，光合作用和呼吸作用才能顺利进行，整个生命活动才充满活力和动力！

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根的吸水

当我们小心翼翼地将一株小麦幼苗从土壤中取出时，如果用放大镜仔细观察根的尖端附近，会看到许多白色的绒毛，这些就是根毛。根毛是根表皮细胞向外突起形成的，就像根伸出的无数只小手，深入到土壤颗粒之间，大大增加了根与土壤的接触面积。

一株普通的黑麦幼苗，其根毛的总表面积可以达到几百平方米，相当于一个篮球场的面积。如此巨大的吸收面积，使得植物能够高效地从土壤中吸收水分和无机盐。根毛的存在是植物适应陆地生活的重要特征之一。

根部吸收水分主要依靠渗透作用。根毛细胞中的细胞液浓度通常高于土壤溶液的浓度，水分就会从浓度低的土壤溶液向浓度高的根毛细胞内渗透。就像海绵吸水一样，根毛不断地将水分吸入细胞内。吸收的水分会继续向内层细胞传递，最终进入根部中央的导管。

影响根吸水的因素

根部吸水的效率受多种因素影响。土壤中的水分含量是最直接的因素。如果土壤过于干燥，根系即使有大量根毛也无法吸收到足够的水分。但土壤也不能过于潮湿，因为根系呼吸需要氧气，如果土壤积水，根系会因缺氧而窒息，甚至腐烂。这就是为什么农民要做好田间排灌工作的原因。

温度也会影响根的吸水能力。温度过低会降低细胞的活性，减弱根的吸水能力。这就是为什么在早春时节，即使土壤中有充足的水分，刚移栽的树苗仍然容易出现“倒春寒”现象——叶片萎蔫，因为低温使根系吸水能力减弱，无法满足地上部分的需要。

土壤溶液的浓度同样重要。如果一次施肥过多，土壤溶液浓度会变得很高，甚至超过根毛细胞液的浓度。这时候，水分反而会从根毛细胞向土壤溶液渗透，造成“烧苗”现象。农民常说的“薄肥勤施”就是这个道理，少量多次施肥既能满足植物营养需求，又不会因浓度过高而伤害根系。

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水分的运输

导管的结构

水分被根毛吸收后，需要运输到植物的各个部位，特别是叶片。这个任务由导管来完成。导管是植物体内专门运输水分和无机盐的管道，它们从根部一直延伸到叶片。

导管是由许多长形细胞上下连接而成的。这些细胞在发育成熟后，细胞内的细胞质和细胞核都消失了，只剩下细胞壁，上下两端的细胞壁也溶解消失了，这样就形成了一根中空的管道。就像把许多竹节打通连在一起，形成一根长长的水管。

导管的细胞壁上有加厚的木质化部分，使导管具有较强的支撑作用。这就是为什么树干能够直立挺拔，支撑起巨大的树冠。我们砍倒一棵树，在树干的横断面上可以看到一圈圈的年轮，这些年轮就是不同年份形成的导管和其他木质部细胞。

水分上升的动力

从根部到树冠，水分需要克服重力向上运输，有时高度可达几十米甚至上百米。那么水分上升的动力来自哪里呢？

首先是根压。根系吸收水分后，会产生一定的压力，将水分向上推送。在春天的早晨，我们常常能看到一些植物叶片边缘有小水珠，这种现象叫做吐水，就是根压作用的结果。但是根压比较小，只能将水分推送到几十厘米高，不足以解释高大树木的水分运输。

更重要的动力来自蒸腾作用。叶片表面有大量的气孔，水分通过气孔蒸发到大气中，这就是蒸腾作用。叶片蒸腾失水后，相当于在导管的顶端产生了一个“吸力”，将下面的水柱向上拉。这种拉力可以克服重力和摩擦阻力，将水分从根部运送到几十米高的树冠。

从上图可以看出，蒸腾作用旺盛时，水分运输速率明显提高。即使在高大的树木中，蒸腾拉力也能保证水分有效运输到顶端。这说明蒸腾作用是水分上升的主要动力。

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蒸腾作用

蒸腾作用的过程

蒸腾作用是水分从植物体内以气体状态散发到体外的过程，主要通过叶片上的气孔进行。如果我们用显微镜观察叶片的表皮，可以看到许多小孔，这些就是气孔。每个气孔由两个半月形的保卫细胞围成，保卫细胞可以控制气孔的开闭。

在白天，当光照充足时，保卫细胞吸水膨胀，气孔张开，水分大量蒸发。到了夜晚，光照减弱，保卫细胞失水收缩，气孔关闭，蒸腾作用大大减弱。这种昼开夜闭的节律，既保证了白天光合作用时的气体交换，又减少了夜间不必要的水分损失。

我们可以通过一个简单的实验来证明蒸腾作用的存在。选择生长良好的盆栽植物，用透明塑料袋将整株植物罩住，袋口扎紧在花盆上。将这个装置放在阳光下，几个小时后，你会发现塑料袋内壁上凝结了许多小水珠。这些水珠就是从叶片蒸腾出来的水分遇冷凝结而成的。

蒸腾作用的意义

蒸腾作用对植物的生命活动有着重要意义。

1. 它是水分向上运输的主要动力。如前所述，蒸腾作用在导管顶端产生的拉力，使得水分能够从根部运送到植物的各个部位。

2. 蒸腾作用促进了无机盐的运输。水分在导管中流动时，溶解在水中的无机盐也随之向上运输，到达植物的各个器官。如果没有蒸腾作用带来的水流，无机盐就很难到达植物的顶端。

3. 蒸腾作用具有降温作用。水分蒸发时需要吸收大量的热量，这就像人出汗可以降温一样。在炎热的夏天，树荫下的温度要比空旷地面低好几度，这主要是因为树木的蒸腾作用吸收了大量热量。森林地区温度较低、湿度较大，也与植物的蒸腾作用密切相关。

影响蒸腾作用的因素

蒸腾作用的强弱受多种环境因素影响。光照强度是重要因素之一。光照越强，气孔开放程度越大，蒸腾作用越旺盛。这就是为什么在正午阳光强烈时，植物蒸腾最强。

温度也会影响蒸腾作用。温度升高，水分子运动加快，蒸发速度加快，蒸腾作用增强。但如果温度过高，气孔会部分关闭以减少水分损失，这是植物的自我保护机制。

空气湿度对蒸腾作用影响明显。空气越干燥，蒸腾作用越强；空气越潮湿，蒸腾作用越弱。这就是为什么在干燥的北方，植物需水量大，而在潮湿的南方，相同的植物需水量相对较少。

风速也是重要因素。微风可以将叶片周围的水蒸气带走，加快蒸腾作用。但如果风速过大，气孔会关闭以减少水分过度损失。农民在大风天气注意给庄稼浇水，就是因为大风会加速水分散失。

上图展示了不同天气条件下植物一天24小时的蒸腾速率变化。晴天蒸腾作用最强，在正午达到峰值；阴天蒸腾作用减弱；雨天由于空气湿度大，蒸腾作用最弱。夜间由于气孔关闭，各种天气下蒸腾作用都很微弱。

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有机物的运输

筛管的结构

植物通过光合作用制造的有机物，需要从叶片运输到根、茎、花、果实等器官。这个任务由筛管来完成。筛管和导管一样，也是由许多细胞上下连接而成的管道。

但筛管与导管有明显的不同。筛管细胞成熟后，细胞核消失了，但细胞质还保留着，这样管道内就不是完全空的。筛管细胞的上下两端细胞壁上有许多小孔，就像筛子一样，所以叫筛管。这些小孔允许有机物从一个细胞流向下一个细胞。

筛管主要分布在树皮中，而导管主要分布在木质部。这就是为什么如果把树皮剥掉一圈（环剥），树就会死亡——因为有机物无法向下运输到根部，根部得不到营养供应就会死亡，进而导致整株植物死亡。

有机物运输的方向

导管中的水分和无机盐主要是向上运输，而筛管中的有机物运输方向则比较灵活。在生长季节，叶片通过光合作用制造的有机物，主要向下运输到根部储存，或者向上运输到正在生长的顶芽、花、果实等器官。

在植物的休眠期或萌发期，储存在根、茎中的有机物（如淀粉）会转化为可溶性的糖类，通过筛管向上运输，供应新生器官的生长需要。春天，我们看到树木发芽开花，就是根茎中储存的养分向上运输的结果。

农民利用这个原理进行“环剥”技术。在果树的主干上剥去一圈树皮（宽度约1-2厘米），使叶片光合作用产生的有机物不能向下运输，而集中供应果实生长，可以显著提高果实的品质和产量。但环剥不能过宽，否则伤口愈合太慢，会危及树木生命。

导管与筛管的对比

导管和筛管是植物的两套运输系统，它们各有分工，共同维持植物的物质运输。我们可以通过表格来对比它们的特点：

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合理灌溉与施肥

科学浇水的重要性

理解了植物的水分运输原理，我们就能更科学地给植物浇水。水分过多或过少都不利于植物生长。土壤过于干燥，根系无法吸收足够的水分，植物会萎蔫甚至死亡。但土壤积水也有害，因为根系需要氧气进行呼吸，积水会导致根系缺氧窒息。

不同植物对水分的需求不同。水稻是典型的喜水植物，生长期需要保持田间有水层。但小麦、玉米等旱地作物，则需要“见干见湿”的浇水方式——土壤表层干了再浇水，避免积水。多肉植物根系较浅，浇水要少而频繁。这些都需要根据植物的特性来调节。

在我国，水资源分布不均，北方干旱缺水，南方相对湿润。在干旱地区，发展节水农业至关重要。滴灌技术就是一种高效的节水灌溉方式。将水通过管道直接输送到植物根部，水滴慢慢渗入土壤，既节约了水资源，又提高了水分利用效率。新疆的棉花种植广泛采用滴灌技术，不仅节水，还提高了产量和品质。

合理施肥的原则

植物生长需要多种无机盐，其中需求量最大的是含氮、磷、钾的无机盐。氮肥促进枝叶生长，使植物枝繁叶茂；磷肥促进开花结果，使果实饱满；钾肥促进茎秆健壮，增强抗病能力。农民常说“氮长叶、磷开花、钾壮秆”，就是这个道理。

施肥要讲究科学方法。施肥过少，植物营养不良，生长缓慢；施肥过多，会造成“烧苗”现象，甚至导致植物死亡。正确的做法是“薄肥勤施”——每次施肥量少一些，但施肥频率增加。这样既能满足植物的营养需求，又不会因浓度过高伤害根系。

施肥时间也很重要。在植物生长旺盛期，需要较多的肥料；在休眠期，需肥量很少。春季是植物生长的关键期，应增加施肥；秋季植物准备休眠，应减少施肥。不同生长阶段对肥料种类的需求也不同：苗期需要较多氮肥促进生长，花期和果期需要较多磷钾肥促进开花结果。

从上图可以看出，施肥浓度并非越高越好。在一定范围内，增加施肥浓度可以促进植物生长，但超过最适浓度后，生长反而受到抑制。浓度过高会导致“烧苗”现象，严重影响植物生长甚至导致死亡。

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植物运输系统在生产中的应用

移栽技术

理解了植物的水分运输和蒸腾作用，我们就能掌握正确的移栽技术。移栽时，植物的根系会受到损伤，吸水能力下降。但地上部分的叶片仍然进行蒸腾作用，水分散失。如果吸收的水分少于散失的水分，植物就会萎蔫。

为了提高移栽成活率，园艺工作者会采取一系列措施。首先是剪去部分枝叶，减少叶片面积，降低蒸腾作用，减少水分散失。其次是选择在阴天或傍晚移栽，这时蒸腾作用较弱，有利于植物恢复。第三是移栽后立即浇足水，并在几天内保持土壤湿润，促进根系生长和吸水。

在我国北方地区，每年春季都要进行大规模的植树造林活动。为了提高树苗的成活率，林业工作者会在移栽时采取特殊措施：挖树时尽量保留较多的根系，用稻草或麻袋包裹树干保持湿润，运输过程中避免根系暴晒，种植后及时浇水并覆盖地膜保墒。这些措施都是基于对植物水分运输原理的科学认识。

冬季树木保护

在北方寒冷地区，冬季气温很低，土壤冻结，树木的根系无法吸收水分。但是树干和枝条仍然会蒸腾散失水分，特别是在晴朗有风的日子。如果水分散失过多而得不到补充，树木就会因为干旱而受害，树皮会开裂，这就是“抽条”现象。

为了防止这种现象，人们会在冬季给树木采取保护措施。最常见的是给树干涂白，用生石灰和水调成白色涂料，刷在树干上。树干涂白不仅可以反射阳光，降低树干温度，减少蒸腾作用，还可以杀灭树皮中的害虫和病菌。这就是为什么我们在冬天经常看到道路两旁的树干被刷成白色。

另一个办法是用草绳或塑料布包裹树干，特别是新栽的树木。这样可以减少水分蒸发，保持树干湿润，提高树木的越冬能力。在我国东北地区，这些措施对于保护行道树和果树非常重要。

现代灌溉技术

传统的漫灌方式虽然简单，但水分利用率很低，大量水分蒸发或流失，造成浪费。现代农业发展了多种高效节水灌溉技术，这些技术都是基于对植物水分运输和需求规律的科学认识。

滴灌技术是最先进的节水灌溉方式之一。通过管道将水直接送到植物根部，水滴慢慢渗入土壤，几乎没有蒸发损失，水分利用率可达90%以上。新疆的棉花、番茄种植大量采用滴灌技术，在节约水资源的同时，还提高了产量和品质。

喷灌技术则是通过喷头将水喷洒到空中，形成细小的水滴落到地面。这种方式比漫灌节水，而且可以增加空气湿度，降低田间温度，减少植物的蒸腾作用。在我国北方的小麦、玉米产区，喷灌技术得到了广泛应用。

微灌技术则是滴灌和喷灌的结合，将水直接输送到植物根部附近，既节水又高效。在温室大棚种植中，微灌技术配合自动控制系统，可以根据植物的需水规律自动浇水，实现精准灌溉。

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小结

我们学习了植物的物质运输系统。植物通过根毛从土壤中吸收水分和无机盐，根毛的巨大表面积大大提高了吸收效率。水分和无机盐通过导管从根部运输到植物的各个部位，蒸腾作用是水分向上运输的主要动力。

蒸腾作用是水分从植物体内以气体形式散发到体外的过程，主要通过叶片上的气孔进行。蒸腾作用不仅是水分运输的动力，还能促进无机盐运输，具有降温作用，对植物的生命活动意义重大。影响蒸腾作用的因素包括光照、温度、湿度、风速等。

植物通过光合作用制造的有机物，主要通过筛管运输。筛管分布在树皮中，可以将有机物从制造部位运输到需要的部位。导管和筛管是植物的两套运输系统，分工明确，共同维持着植物的物质循环。

理解植物的运输系统原理，对农业生产具有重要指导意义。在移栽植物、冬季保护、灌溉施肥等实践中，我们都需要运用这些知识，才能做到科学种植，提高成活率和产量。

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本节练习

1. 园丁在移栽树苗时，总要剪去一些枝叶，并选择在阴天或傍晚进行。请用本章学到的知识解释这样做的科学道理。

2. 有经验的瓜农在西瓜快要成熟时，会在瓜秧靠近果实的茎上剥去一小圈树皮（环剥），这样可以使西瓜更甜。请解释其中的科学原理。

3. 在炎热的夏天，树荫下的温度要比空旷地面低好几度，而且空气比较湿润。请用蒸腾作用的知识解释这种现象。

4. 农民在给农作物施肥时常说“薄肥勤施”，而不主张一次施用大量化肥。请从根吸水的原理解释其中的科学道理。

5. 观察下表，这是在相同条件下测定不同天气情况下某植物的蒸腾速率。请根据表中数据分析：（1）哪种天气条件下蒸腾作用最强？为什么？（2）如果要移栽这种植物，应该选择哪种天气？说明理由。