植物的生长与调节

一粒小小的种子被播种在肥沃的土壤中，表面看似毫不起眼，却蕴藏着新生命的全部潜能。经过几天适宜的温度和充足的水分的滋润，种子开始慢慢吸水膨胀，内部的生命活动逐渐变得活跃。某一天，种皮表面微微鼓起，一道裂缝悄然出现，胚根首先突破土壤，坚定地向下生长，牢牢扎根于泥土之中，并开始吸收水分和养料。紧接着，胚芽携带着对光明的渴望，奋力冲破土层，向着地面生长。当幼苗终于破土而出，嫩绿的叶片舒展开来，自动朝着阳光的方向伸展，这一刻，植物正式开启了独立的旅程。

种子的萌发以及幼苗的生长，看似简单直接，实则牵涉到一系列精密而复杂的生命机制：细胞如何分裂、器官怎样分化、各种信号物质如何调节各个部分的生长速率。植物如何“知道”要向上生长而不是横向或向下？光照、重力、水分、温度等外界因素又是怎样对植物施加影响，从而决定其生长方向和速度？与此同时，农民们正是通过对这些生命规律的了解，灵活地调整耕作方式、改变灌溉和施肥手段，不断提升农作物的产量和品质。

我们将带着这些思考，一同深入探索植物的生长调节过程，揭开生命成长过程中所蕴含的科学原理与智慧，领略大自然赋予生物的奇妙本能。

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种子的奥秘

种子的结构

当我们剥开一粒浸泡过的蚕豆种子，可以看到种子由种皮和胚两部分组成。种皮是种子最外层的保护层，坚硬而致密，保护着内部的胚。剥去种皮，里面就是胚，胚是新植物的幼体，是种子最重要的部分。

胚由四个部分组成。胚芽是胚的顶端部分，将来会发育成植物的茎和叶。胚根位于胚的下端，将来会发育成植物的根。胚轴连接着胚芽和胚根，将来会发育成连接根和茎的部分。子叶是胚中最大的部分，在蚕豆种子中有两片肥厚的子叶，它们储存着大量的营养物质，为种子萌发提供养分。

不同植物的种子结构有所不同。豌豆、花生等植物的种子有两片子叶，叫做双子叶植物。而玉米、小麦、水稻等植物的种子只有一片子叶，叫做单子叶植物。玉米种子的营养物质主要储存在胚乳中，而不是子叶中。尽管有这些差别，但所有种子都包含着一个完整的胚，这是新生命的起点。

种子的萌发

种子萌发需要适宜的外界条件。首先是充足的水分。干燥的种子含水量很低，生命活动处于休眠状态。吸水后，种子内的酶变得活跃，开始分解储存的营养物质，为胚的生长提供能量和原料。我们可以观察到，浸泡在水中的种子会明显膨胀，这就是吸水的结果。

其次是适宜的温度。大多数植物种子萌发的适宜温度在15°C到25°C之间。温度过低，酶的活性很低，种子萌发缓慢甚至不萌发；温度过高，酶会失活，种子也无法萌发。这就是为什么农民要选择适当的季节播种——春播要等气温回升，避免“倒春寒”；秋播要赶在寒冬来临之前让种子萌发。

第三是充足的空气。种子萌发过程中需要进行旺盛的呼吸作用，消耗氧气释放能量。如果种子被水完全淹没，缺少氧气，就会因无法呼吸而死亡。这就是为什么播种时要适当松土，不能播得太深，也不能让田间积水。

种子萌发的过程是有顺序的。种子首先吸水膨胀，然后胚根突破种皮，向下生长，这是因为根需要尽快扎入土壤吸收水分和矿物质。接着胚轴伸长，将胚芽推出土面。最后胚芽发育成茎和叶，子叶或胚乳中的营养物质被逐渐消耗。当幼苗长出绿色的叶片后，就能通过光合作用自己制造养分了，一个新的生命由此开始了独立的生活。

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根的生长

根尖的结构

要理解根是如何生长的，我们需要先了解根尖的结构。根尖是根的顶端部分，是根生长最活跃的区域。从下到上，根尖可以分为四个区域。

最顶端是根冠，它像一顶帽子一样保护着根尖，使根能够在坚硬的土壤中向前推进而不受伤害。根冠的细胞不断死亡脱落，同时也在不断产生新的细胞补充。

根冠上面是分生区，这里的细胞体积很小，但分裂能力很强，不断进行细胞分裂产生新细胞。分生区是根生长的“动力源”。

再往上是伸长区，这是根生长最快的部位。分生区产生的新细胞到了这里会迅速伸长，使根不断向前推进。伸长区的细胞体积可以增大到原来的几十倍甚至上百倍。

最上面是成熟区，伸长区的细胞停止伸长后就进入了成熟区。成熟区的细胞已经分化成不同类型，表皮细胞向外突起形成根毛，负责吸收水分和无机盐。这里的细胞已经不再生长，而是执行吸收功能。

根的生长实验

我们可以通过实验来观察根的生长。取一粒刚萌发的蚕豆种子，用墨汁在根尖上每隔1毫米画一道横线，将种子固定在潮湿的沙土中培养。每天观察并测量各段的长度变化。

几天后你会发现，靠近根尖的那几段明显变长了，而远离根尖的部分几乎没有变化。这说明根的生长主要发生在根尖的伸长区。伸长区以上的部分，细胞已经成熟，不再伸长。这也解释了为什么根能够不断向前生长，而不会把已经扎在土壤中的部分也拉动。

根的生长实际上是细胞分裂和细胞伸长共同作用的结果。分生区的细胞不断分裂，增加细胞的数量；伸长区的细胞迅速伸长，增大细胞的体积。两个过程相互配合，使根能够持续快速地生长。

在适宜的条件下，根的生长速度是惊人的。一株玉米的根系，如果把所有的根连接起来，总长度可以达到几十公里，分布在土壤中形成一个巨大的吸收网络。这个庞大的根系是在短短几个月内生长出来的，体现了植物旺盛的生命力。

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植物的向性运动

向光性

把一盆植物放在窗台上，过几天你会发现，植物的茎和叶都向着窗户的方向弯曲生长。这种现象叫做向光性，是植物对光刺激的一种反应。向光性对植物的生存具有重要意义，因为光是光合作用必需的条件，向光生长能使植物获得更多的光照，制造更多的养分。

为什么植物会向光弯曲生长呢？科学家研究发现，这与植物体内的一种生长素有关。生长素主要在植物的顶端产生，能够促进细胞伸长生长。当光从一侧照射植物时，生长素会向背光的一侧移动，使背光一侧的生长素浓度高于向光一侧。背光侧细胞伸长生长快，向光侧细胞伸长生长慢，这样茎就向光的方向弯曲了。

我们可以通过实验来验证这个原理。取两个相同的幼苗，一个用不透光的纸筒套住顶端，另一个不套。将两株幼苗并排放置，让光从一侧照射。几天后，没有被套住的幼苗向光弯曲，而被套住顶端的幼苗直立生长不弯曲。这说明植物的向光性与顶端产生的生长素有关。

从上图可以看出，当光从一侧照射时，植物背光侧的生长素浓度明显高于向光侧，尤其是在靠近顶端的部位差异最大。这种浓度差异导致背光侧生长快，向光侧生长慢，从而使茎向光弯曲。

向地性

如果我们把一株萌发的种子横放，会发现一个有趣的现象：根向下弯曲生长，而茎向上弯曲生长。根向下生长的现象叫做向地性，茎向上生长叫做背地性。这种特性保证了无论种子以什么姿态落入土壤，根总能向下扎入土壤吸收水分和矿物质，茎总能向上长出地面进行光合作用。

向地性同样与生长素有关，但作用机制有所不同。当植物横放时，重力使生长素在根和茎的下侧积累更多。对于茎来说，高浓度的生长素促进生长，所以下侧生长快，茎向上弯曲。但对于根来说，高浓度的生长素反而抑制生长，所以下侧生长慢，上侧生长快，根就向下弯曲了。

这个巧妙的机制体现了生命的智慧。同样是生长素，在茎和根中发挥着相反的作用，但结果都是有利于植物生存的——茎向上生长接近阳光，根向下生长深入土壤。这种协调统一的调节，保证了植物能够适应环境，茁壮成长。

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顶端优势与整枝

顶端优势现象

仔细观察一棵植物，你会发现顶端的主芽生长旺盛，而侧面的侧芽生长较慢，有的甚至不生长。这种现象叫做顶端优势。顶端优势是植物生长的一个普遍规律，在自然界中具有重要的生态意义。

顶端优势的产生同样与生长素有关。顶芽产生的生长素向下运输，能够抑制侧芽的生长。顶芽越旺盛，产生的生长素越多，对侧芽的抑制作用就越强。这就是为什么在野生植物中，我们常看到高大挺拔的主干，而侧枝相对较少的现象。

如果我们摘除植物的顶芽，侧芽就会迅速生长。这是因为去掉顶芽后，生长素来源减少，对侧芽的抑制作用解除，侧芽就能快速生长。棉花、茶树、果树等许多农作物的栽培中，农民都利用这个原理进行“摘心”或“打顶”，促进侧枝生长，增加产量。

整枝技术的应用

在农业生产中，整枝技术是提高作物产量的重要措施。不同作物的整枝方法各有特点，但都是基于对植物生长规律的科学认识。

棉花是典型的需要打顶的作物。在棉花生长后期，如果让顶芽继续生长，养分就会集中供应顶端，而影响侧枝和棉铃的发育。农民在适当的时候摘除顶芽，促进侧枝生长，增加结铃数量，可以显著提高棉花产量。新疆是我国重要的棉花产区，那里的棉农都掌握着精确的打顶技术，根据不同品种和生长情况选择最佳的打顶时间。

西瓜、黄瓜等瓜类作物也需要整枝。主蔓长到一定长度后，要进行摘心，促进侧蔓生长和开花结果。同时还要及时摘除多余的侧蔓，使养分集中供应保留的蔓和果实，提高瓜的品质和产量。

与此相反，有些作物需要保留顶芽，去除侧芽。例如玉米的分蘖（侧芽），如果不及时摘除，会消耗大量养分，影响主茎和果穗的发育。番茄、辣椒等也需要及时摘除侧芽，使植株集中生长，提高果实品质。

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植物生长需要的营养

必需的无机盐

植物生长需要多种营养元素。除了通过光合作用获得的碳、氢、氧外，还需要从土壤中吸收氮、磷、钾等多种无机盐。这些无机盐对植物生长各有不同的作用。

含氮的无机盐是植物生长最重要的营养元素之一。氮是组成蛋白质的主要元素，也是叶绿素的组成成分。充足的氮肥能促进植物枝叶生长，使叶片浓绿，植株茂盛。但如果氮肥过多，会造成植物徒长，茎秆柔软易倒伏，抗病能力下降。缺氮的植物叶片发黄，植株矮小瘦弱。

含磷的无机盐能促进植物开花结果和种子成熟。磷参与植物体内的能量代谢，对根系发育也很重要。充足的磷肥能使植物根系发达，开花早，结果多，种子饱满。缺磷的植物叶片呈暗绿色或紫红色，植株矮小，开花结果少。

含钾的无机盐能促进茎秆健壮，提高植物的抗倒伏、抗旱、抗寒和抗病能力。钾还能促进糖类的合成和运输，提高果实品质。充足的钾肥使植物茎秆粗壮，叶片厚实。缺钾的植物叶尖和叶缘发黄枯焦，茎秆软弱易倒伏。

施肥的科学

科学施肥要根据植物不同生长阶段的需求来调整。在苗期，植物以营养生长为主，需要较多的氮肥促进枝叶生长。进入花期后，要增加磷钾肥的施用，促进开花结果。果实生长期，要继续补充钾肥，提高果实品质。

施肥时还要考虑土壤本身的肥力状况。通过土壤检测，了解土壤中各种营养元素的含量，缺什么补什么，避免盲目施肥。有些土壤本身就富含某种元素，就不需要再大量施用这种肥料。

现代农业提倡配方施肥，就是根据作物需求、土壤条件等因素，科学配比各种肥料，做到缺什么补什么，需要多少施多少。这样既能满足作物需求，又能减少肥料浪费和环境污染。在我国很多地区，农技部门都提供测土配方施肥服务，帮助农民科学施肥。

从上图可以看出，植物在不同生长时期对各种营养元素的需求是不同的。苗期和生长旺盛期需要较多氮肥促进枝叶生长；开花期和结果期需要较多磷钾肥促进开花结果和果实发育。科学施肥就是要根据这些规律，在合适的时期施用合适的肥料。

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植物生长调节剂

生长素的发现与应用

生长素是最早被发现的植物激素，它在植物生长发育中起着关键作用。生长素主要在植物的幼嫩部分（如顶芽、嫩叶）中合成，然后运输到其他部位发挥作用。低浓度的生长素能促进生长，高浓度则会抑制生长，这个特性被广泛应用于农业生产。

在果树栽培中，可以用生长素处理插条促进生根，提高扦插成活率。月季、葡萄、杨树等许多植物都可以用这种方法进行繁殖。在果实生长期，适量喷施生长素可以防止落果，提高坐果率。但要注意浓度控制，浓度过高反而会导致落果。

生长素还能促进果实发育。用生长素处理未授粉的花朵，可以获得无子果实，如无子番茄、无子黄瓜等。这种果实没有种子，但果肉照样发育，而且往往更加美味。这项技术在蔬菜和水果生产中得到了广泛应用。

其他植物生长调节剂

除了生长素，科学家还发现了其他多种植物生长调节剂。赤霉素能显著促进植物茎秆伸长，可以用来打破种子休眠，促进种子萌发。在生产上，赤霉素常用于培育无子葡萄，处理过的葡萄不仅无子，而且果粒更大。

细胞分裂素能促进细胞分裂，延缓叶片衰老。在蔬菜储存过程中，适量使用细胞分裂素可以保持蔬菜新鲜，延长保鲜期。在组织培养中，细胞分裂素是必不可少的，它能促进愈伤组织分化出芽和根。

乙烯是一种气体激素，能促进果实成熟。香蕉、柿子等后熟型水果，在采摘时还未完全成熟，用乙烯处理可以使它们快速成熟，便于销售。这就是为什么有时我们买到的香蕉放几天就会迅速变黄成熟。

脱落酸能抑制生长，促进休眠和脱落。在植物受到干旱胁迫时，体内脱落酸含量增加，促使气孔关闭，减少水分散失，这是植物的自我保护机制。

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无土栽培

无土栽培的原理

传统农业中，植物生长离不开土壤。但科学研究发现，土壤本身并不是植物生长的必需品，植物真正需要的是土壤中的水分和无机盐。只要能提供这些必需的营养元素，植物完全可以在没有土壤的环境中生长，这就是无土栽培技术。

无土栽培是用营养液代替土壤来栽培植物的技术。营养液中按照植物生长需求配制了各种必需的营养元素，包括氮、磷、钾等大量元素和铁、锰、锌等微量元素。植物的根系直接浸泡在营养液中，或者通过基质（如蛭石、珍珠岩等）来固定植物，用营养液进行灌溉。

无土栽培具有许多优点。首先是产量高品质好，因为营养供应充足均衡，植物生长快，产量可以提高几倍。其次是节水节肥，营养液可以循环使用，利用率很高。第三是清洁卫生，避免了土壤中的病虫害，减少了农药使用。第四是不受土地条件限制，在城市楼顶、沙漠地区都可以进行。

无土栽培在我国的应用

我国的无土栽培技术发展迅速，在蔬菜、花卉、水果等领域都有广泛应用。在北京、上海等大城市郊区，许多现代化温室采用无土栽培技术生产高档蔬菜，供应城市市场。这些蔬菜生长在营养液中，不接触土壤，非常清洁，受到消费者欢迎。

在山东寿光，无土栽培技术与温室大棚结合，生产出高品质的番茄、黄瓜、草莓等。通过计算机控制营养液的供应和温度湿度等环境条件，实现了蔬菜生产的自动化和精准化。一个现代化温室的产量可以达到传统大田种植的几十倍。

无土栽培技术还为太空农业开辟了道路。在太空站上没有土壤，利用无土栽培技术可以种植蔬菜，为宇航员提供新鲜食物。我国在"天宫"空间站上已经成功进行了多种植物的太空栽培实验，为未来的深空探索积累了宝贵经验。

从上图可以看出，无土栽培的产量远高于传统土培。基质栽培、水培和雾培等不同无土栽培方式的产量依次提高，其中雾培的产量可以达到传统土培的4-5倍。这充分体现了现代农业技术的优势。

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小结

我们学习了植物的生长和调节机制。种子由种皮和胚组成，胚包括胚芽、胚根、胚轴和子叶。种子萌发需要充足的水分、适宜的温度和充足的空气。种子萌发后，胚根首先突破种皮向下生长，然后胚芽向上生长发育成茎和叶。

根的生长主要发生在根尖的伸长区，这里的细胞迅速伸长，使根不断向前推进。植物具有向光性和向地性，茎向光生长，根向下生长，这些特性都与生长素的作用有关。顶端优势现象说明顶芽能抑制侧芽生长，农民利用这个原理进行整枝，提高作物产量。

植物生长需要多种营养元素，其中氮促进枝叶生长，磷促进开花结果，钾促进茎秆健壮。科学施肥要根据植物不同生长阶段的需求来调整。植物生长调节剂如生长素、赤霉素等在农业生产中有广泛应用。无土栽培技术代表了现代农业的发展方向。

理解植物生长的规律，掌握调节植物生长的方法，对农业生产具有重要意义。从种子播种到植物成熟，每一个环节都蕴含着科学原理，需要我们用心学习和实践。

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本节练习

1. 农民在播种时常说“种子入土三分暖”，意思是播种不能太深。请用种子萌发的知识解释为什么播种过深会影响出苗率。

2. 园艺工人在扦插月季时，会剪去插条上的大部分叶片，只保留顶端的1-2片小叶，并在插条基部涂抹生长素。请解释这样做的科学道理。

3. 棉农在棉花生长后期要进行“打顶”（摘除顶芽），而种植玉米时要及时“打杈”（去除侧芽）。这两种做法看似相反，但都能提高产量。请解释其中的科学原理。

4. 有人说“庄稼一枝花，全靠肥当家”。但有的农民施肥越多，产量反而越低。请根据本章学到的知识，说明科学施肥应该注意哪些问题。

5. 无土栽培技术产量高、品质好，为什么还不能完全代替传统的土壤栽培？请从多个角度分析。