第一章-植物的水分生理课件.ppt

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1、第一章第一章水分生理水分生理本章问题本章问题:1.植物的生命活动为什么需要水植物的生命活动为什么需要水?2.水分是如何被植物吸收、运输和利用的？水分是如何被植物吸收、运输和利用的？本章需要掌握的基本内容：本章需要掌握的基本内容：基本概念基本概念：束缚水、自由水、扩散、集流、渗透作用、束缚水、自由水、扩散、集流、渗透作用、自由能、化学势、水势、渗透势、压力势、蒸腾作用自由能、化学势、水势、渗透势、压力势、蒸腾作用基础知识基础知识：水的性质；水在植物体中的作用；植物根系吸水的水的性质；水在植物体中的作用；植物根系吸水的途径；植物吸水的动力；植物失水的方式；内聚力学说途径；植物吸水的动力；植物失水的

2、方式；内聚力学说研究热点研究热点：气孔运动的机制：气孔运动的机制一、水的性质一、水的性质第一节第一节植物对水分的需求植物对水分的需求1.水是极性化合物水是极性化合物-极性化合物的很好溶剂极性化合物的很好溶剂2.大的内聚力（大的内聚力（cohesion）和附着力（）和附着力（adhesion）3.水分的蒸发需要高的热能水分的蒸发需要高的热能-降温降温4.表面张力（表面张力（surfacetension）-减少水和减少水和空气之间的接触表面（空气之间的接触表面（water-airsurfacearea）5.毛细管作用（毛细管作用（capillarity）-水分沿毛细管上水分沿毛细管上升升6.抗张强

3、度抗张强度-水柱不易拉断水柱不易拉断二、水分在植物生命活动中的作用二、水分在植物生命活动中的作用1.细胞质的主要成分，生化反应的介质；细胞质的主要成分，生化反应的介质；2.生化反应的底物；生化反应的底物；3.植物吸收和运输物质的溶剂；植物吸收和运输物质的溶剂；4.保持植物固有的姿态；保持植物固有的姿态；5.生态意义。生态意义。三、植物的含水量和体内水分存在的状态三、植物的含水量和体内水分存在的状态不同植物的含水量有很大不同；不同植物的含水量有很大不同；同一种植物，不同环境下有差异；同一种植物，不同环境下有差异；同一种植物，不同环境下有差异；同一种植物，不同环境下有差异；同一株植株中，不同器官、

4、组织的含水量不同；同一株植株中，不同器官、组织的含水量不同；同一株植株中，不同器官、组织的含水量不同；同一株植株中，不同器官、组织的含水量不同；植物在不同的发育阶段含水量不同；植物在不同的发育阶段含水量不同；植物在不同的发育阶段含水量不同；植物在不同的发育阶段含水量不同；生命活动较旺盛的部分，水分含量较多。生命活动较旺盛的部分，水分含量较多。自由水自由水（free water）：距离胶体颗粒较远，可以）：距离胶体颗粒较远，可以自由移动的水分。自由移动的水分。束缚水束缚水（bound water）：较牢固地被细胞胶体颗）：较牢固地被细胞胶体颗粒吸附，不易流动的水分。粒吸附，不易流动的水分。自由水

5、自由水/束缚水束缚水比值影响代谢比值影响代谢自由水参与各种代谢作用，自由水占总含水量自由水参与各种代谢作用，自由水占总含水量的百分比越大，则植物代谢越旺盛。的百分比越大，则植物代谢越旺盛。束缚水不参与代谢作用，束缚水含量与植物抗束缚水不参与代谢作用，束缚水含量与植物抗性大小有密切关系。性大小有密切关系。自由水/束缚水比值高时，代谢旺盛；自由水/束缚水比值低时。代谢缓慢。一、植物细胞吸水的方式一、植物细胞吸水的方式v扩散扩散（diffusion）指分子的随机热运动造成的物质从指分子的随机热运动造成的物质从浓度高的区域向浓度低的区域移动。浓度高的区域向浓度低的区域移动。第二节第二节植物细胞对水分的

6、吸收植物细胞对水分的吸收v集流集流（massflow）是指液体中是指液体中成群的分子或原成群的分子或原子在压力梯度的子在压力梯度的驱动下共同移动。驱动下共同移动。v渗透作用渗透作用（osmosis）：）：由两种浓度不同的溶液和一个半透膜由两种浓度不同的溶液和一个半透膜可以组成一个渗透系统，可以组成一个渗透系统，半透膜允许溶剂半透膜允许溶剂通过，不允许溶质通过通过，不允许溶质通过，那么溶剂通过半，那么溶剂通过半透膜的移动就是渗透作用。透膜的移动就是渗透作用。水势水势（waterpotential）是是 指指 每每 偏偏 摩摩 尔尔 体体 积积（partial molarvolume）水水 的的

7、化化 学学 势势 差差，用用 希希 腊腊 字字 母母（psi）或）或W表示。表示。二、水势二、水势 水势的单位：水势的单位：Pa(帕帕)=Nm-2 或用或用MPa(兆帕兆帕)化学势的单位：化学势的单位：Jmol-1 其中其中J=（牛）（牛）Nm 偏摩尔体积的单位：偏摩尔体积的单位：m3mol-1 Jmol-1/m3mol-1=Jm-3=Nm-2 溶液溶液水势水势(MPa)纯水纯水0Hoagland营养液营养液-0.05海水海水-2.501mol/L 蔗糖蔗糖-2.691mol/L KCl-4.50几种常见化合物水溶液的水势范围几种常见化合物水溶液的水势范围 三、植物细胞的水势三、植物细胞的水势

8、 通通常常认认为为植植物物细细胞胞的的水水势势（w）由由4部部分分组组成成，渗渗透透势势（osmotic potential)，又又称称溶溶质质势势(solute potential,s)；压压力力势势（pressure potential,p)；3)3)衬衬 质质 势势（matric potential,m)；4)重重 力力 势势（gravitational potential,g ）。）。细胞的水势细胞的水势=渗透势渗透势+压力势压力势+衬质势衬质势+重力势重力势 w=s+p+m+g （1）溶质势溶质势由于溶质颗粒的存在而引起体系水势下降的数值。由于溶质颗粒的存在而引起体系水势下降的数值。

9、由于溶质颗粒的存在而引起体系水势下降的数值。由于溶质颗粒的存在而引起体系水势下降的数值。溶液的溶质越多，其溶质势越低，且任一溶液的水势均溶液的溶质越多，其溶质势越低，且任一溶液的水势均溶液的溶质越多，其溶质势越低，且任一溶液的水势均溶液的溶质越多，其溶质势越低，且任一溶液的水势均低于纯水的水势而为负值。低于纯水的水势而为负值。低于纯水的水势而为负值。低于纯水的水势而为负值。s=-iCRT i i:溶质的解离系数；溶质的解离系数；溶质的解离系数；溶质的解离系数；C C：溶质的质量摩尔浓度；：溶质的质量摩尔浓度；：溶质的质量摩尔浓度；：溶质的质量摩尔浓度；R R：气体常数；：气体常数；：气体常数；

10、：气体常数；T T:绝对温度绝对温度绝对温度绝对温度（2）压力势压力势 由由由由于于于于压压压压力力力力的的的的存存存存在在在在而而而而使使使使体体体体系系系系水水水水势势势势改改改改变变变变的的的的数数数数值值值值，用用用用 p p表示。表示。表示。表示。原原原原生生生生质质质质吸吸吸吸水水水水膨膨膨膨胀胀胀胀，对对对对细细细细胞胞胞胞壁壁壁壁产产产产生生生生压压压压力力力力，而而而而细细细细胞胞胞胞壁壁壁壁对对对对原原原原生生生生质质质质会会会会产产产产生生生生一一一一个个个个反反反反作作作作用用用用力力力力，这这这这就就就就是是是是细细细细胞胞胞胞的的的的压压压压力力力力势势势势。细细细

11、细胞胞胞胞压压压压力力力力势势势势一般为正值，只有在蒸腾过旺时为负值。一般为正值，只有在蒸腾过旺时为负值。一般为正值，只有在蒸腾过旺时为负值。一般为正值，只有在蒸腾过旺时为负值。由于重力存在而使体系水势改变的数由于重力存在而使体系水势改变的数值，用值，用g表示表示。（3）重力势）重力势 当体系的两个区域高度相差不大当体系的两个区域高度相差不大时，重力势可以忽略不计。时，重力势可以忽略不计。是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束缚而引起水势降低的值，是负值，用缚而引起水势降低的值，是

12、负值，用缚而引起水势降低的值，是负值，用缚而引起水势降低的值，是负值，用 mm表示表示表示表示 。（4）衬质势）衬质势 未形成液泡的细胞具有一定的衬质势，干燥种未形成液泡的细胞具有一定的衬质势，干燥种未形成液泡的细胞具有一定的衬质势，干燥种未形成液泡的细胞具有一定的衬质势，干燥种子的子的子的子的 mm可达可达可达可达-100-100 MPaMPa；干燥种子的水势：干燥种子的水势：w=m 已形成液泡的细胞，其衬质势只有已形成液泡的细胞，其衬质势只有-0.01 MPa左右，只占整个水势的微小部分，通常左右，只占整个水势的微小部分，通常省略不计。省略不计。w=s+p 相邻两细胞水分的移动方向，取决于

13、两细胞间的水势差异水势差异，水势高高的细胞的水分总是向水势低低的细胞移动。细胞间水分的移动细胞间水分的移动s s=-1.4=-1.4 MPaMPap p=+0.8=+0.8 MPaMPaw w=-0.6=-0.6 MPaMPas s=-1.2=-1.2 MPaMPap p=+0.4=+0.4 MPaMPaw w=-0.8=-0.8 MPaMPaXY水分移动的方向水分移动的方向成熟的植物细胞就是一个完整的渗透装置成熟的植物细胞就是一个完整的渗透装置细胞壁原生质层（全透性）原生质层具有选择透过性，近似于半透膜细胞膜液泡膜细胞质细胞液细胞核细胞壁原生质层细胞液细胞空腔原生质层和细胞壁分离的现象细胞膜

14、液泡膜细胞质 当外界溶液浓度大于细胞液浓度时当外界溶液浓度大于细胞液浓度时(高渗溶液），细高渗溶液），细胞发生质壁分离。胞发生质壁分离。当外界溶液浓度小于细胞液浓度时（低渗溶液），当外界溶液浓度小于细胞液浓度时（低渗溶液），细胞发生质壁分离复原。细胞发生质壁分离复原。原生质层和细胞壁质壁分离复原现象环境状况体积细胞状态pw等渗溶液V1松弛状态，临界质壁分离p0ws低渗溶液V1膨胀状态，细胞吸水p增大ws+p纯水中V最大饱和状态，充分膨胀p-sw0高渗溶液V1萎蔫状态，失水，质壁分离p0w下降 4.细胞吸水过程中水势组分 质壁分离质壁分离（plasmolysis）现象）现象 细胞初始质壁分离时：

15、细胞初始质壁分离时：细胞初始质壁分离时：细胞初始质壁分离时：p p=0,=0,w w =充分饱和的细胞充分饱和的细胞充分饱和的细胞充分饱和的细胞:w w =0 0，=-=-p p蒸腾剧烈时：蒸腾剧烈时：蒸腾剧烈时：蒸腾剧烈时：p p 0 0，w w 土壤保水能力，吸水土壤保水能力，吸水根部吸水能力根部吸水能力 土壤保水能力，不吸水土壤保水能力，不吸水植物只能利用土壤中可用水分。植物只能利用土壤中可用水分。(2)土壤通气状况土壤通气状况时间较长，就形成无时间较长，就形成无氧呼吸，产生和累积氧呼吸，产生和累积较多酒精，根系中毒较多酒精，根系中毒受伤，吸水更少。受伤，吸水更少。短期内可使细胞呼吸短期

16、内可使细胞呼吸减弱，影响根压，继减弱，影响根压，继而阻碍吸水；而阻碍吸水；土壤缺氧土壤缺氧和和CO2浓浓度过高度过高原因：原因：土壤土壤通气不良通气不良使根系使根系吸水量减少吸水量减少。水分本身的黏性增大，扩散速率降低；细胞质黏性增大，水分不易通过细胞质；呼吸作用减弱，影响根压；根系生长缓慢，有碍吸水表面的增加。低温能降低根系的吸水速率低温能降低根系的吸水速率(3)(3)土壤温度土壤温度高温加速根的老化过程，吸收面积减少，吸收速率也下降。原因：原因：土壤土壤温度过高温度过高对根系吸水也不利对根系吸水也不利温度过高使酶钝化，影响根系主动吸水。根根系系要要从从土土壤壤中中吸吸水水，根根部部细细胞胞

17、的的水水势势必须必须 土壤溶液的水势。土壤溶液的水势。(4)(4)土壤溶液浓度土壤溶液浓度施用化学肥料时不宜过量产生“烧苗”盐碱土则相反在一般情况下，土壤溶液浓度较低，水势较高，根系吸水；低于低于第四节：植物的蒸腾作用第四节：植物的蒸腾作用一、蒸腾作用的生理意义：一、蒸腾作用的生理意义：1、蒸腾作用是植物吸收水分和运输的主要动力、蒸腾作用是植物吸收水分和运输的主要动力2、蒸腾作用是植物吸收矿物质的主要动力、蒸腾作用是植物吸收矿物质的主要动力3、蒸腾作用可以降低植物叶片表面的温度、蒸腾作用可以降低植物叶片表面的温度二、蒸腾的器官和方式二、蒸腾的器官和方式幼苗：地上部分的全部表面幼苗：地上部分的全

18、部表面成苗：成苗：1、茎枝表面：、茎枝表面：皮孔蒸腾（占皮孔蒸腾（占0.1%）2、叶片：、叶片：角质蒸腾（占角质蒸腾（占5-10%）气孔蒸腾气孔蒸腾最主要最主要形式形式三、气孔蒸腾和运动三、气孔蒸腾和运动气孔面积气孔面积只只占叶表面的占叶表面的0.51.5气孔蒸腾量气孔蒸腾量要比同面要比同面积的自由水面的蒸发积的自由水面的蒸发量快量快5050倍倍之多。之多。小孔扩散定律小孔扩散定律气孔扩散的小孔定律（小孔扩散定律）气孔扩散的小孔定律（小孔扩散定律）？小孔扩散定律小孔扩散定律 水蒸气通过气孔扩散的速率，不与小孔的面积成正比而与小孔的周长成正比。边缘效应边缘效应2-72-7与保卫细胞与保卫细胞的结

19、构特点的结构特点有关。有关。气孔运动气孔运动:白天开放，晚上关闭。白天开放，晚上关闭。气孔为什么气孔为什么能够运动？能够运动？四、气孔运动的机制四、气孔运动的机制 1)1)淀粉淀粉-糖转化学说糖转化学说 2)2)钾离子吸收学说钾离子吸收学说 3)3)苹果酸代谢学说苹果酸代谢学说淀粉淀粉糖转化学说糖转化学说保卫细胞在保卫细胞在光光下进行下进行光合作用光合作用消耗消耗CO2，使细胞内使细胞内pH增高增高淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶水解淀粉为可溶性糖水解淀粉为可溶性糖水势下降水势下降从周围细胞从周围细胞吸水吸水气孔气孔张开张开保卫细胞在保卫细胞在黑暗黑暗中进行中进行呼吸作用呼吸作用释放释放CO2，使细胞

20、内使细胞内pH下降下降淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶把可溶性糖合成为淀粉把可溶性糖合成为淀粉水势升高水势升高向周围细胞向周围细胞排水排水气孔气孔关闭关闭保卫细胞质膜保卫细胞质膜上具有光活化上具有光活化ATP酶酶-H+泵泵水解水解ATP，泵出泵出H+到细胞壁，造到细胞壁，造成膜电位差成膜电位差 w w降低降低，水分，水分进入保卫细胞，进入保卫细胞，气孔张开气孔张开激活激活K+通道通道和和Cl-通道，通道，K+和和Cl-进入保卫细胞进入保卫细胞钾离子吸收学说钾离子吸收学说钾离子吸收学说钾离子吸收学说苹果酸代谢学说苹果酸代谢学说 保卫细胞在保卫细胞在光光光光下进行光合作用下进行光合作用消耗消耗COCO2

21、2 pHpH增高增高(8.0-8.5),(8.0-8.5),活化活化活化活化PEPPEPPEPPEP羧化酶羧化酶羧化酶羧化酶PEP+HCOPEP+HCO3 3-草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸 苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸使细胞内液泡使细胞内液泡水势下降水势下降气孔气孔张开张开从周围细胞从周围细胞吸水吸水1.光光2.干旱干旱3.植物激素植物激素4.温度温度5.CO2 浓度浓度五、影响气孔开关的因素和调控机制五、影响气孔开关的因素和调控机制蓝光能促进质膜上蓝光能促进质膜上H+-ATP酶的活性酶的活性 第五节第五节水分在植物体内的运输水分在植物体内的运输 土壤水土壤水 根毛根毛

22、 根皮层根皮层 根中柱鞘根中柱鞘 根导管根导管茎导管茎导管叶柄导管叶柄导管叶脉导管叶脉导管 叶肉细胞叶肉细胞叶细胞间隙叶细胞间隙气孔下腔气孔下腔气孔气孔大气大气一、水分运输的途径一、水分运输的途径二、水分运输的速度二、水分运输的速度活细胞在活细胞在0.1MPa条件下，条件下，0.001cm/h具环孔材树木的导管大而长，水流速度达具环孔材树木的导管大而长，水流速度达 20-40m/h具散孔材树木的导管较短，水流速度为具散孔材树木的导管较短，水流速度为 1-6m/h裸子植物只有管胞，水流速度不到裸子植物只有管胞，水流速度不到 0.6m/h 死死细细胞胞（导导管管和和管管胞胞）活活细细胞胞（叶叶肉肉

23、细细胞胞）三、水分沿导管和管胞上升的动力三、水分沿导管和管胞上升的动力四、影响蒸腾作用的内、外条件四、影响蒸腾作用的内、外条件气孔气孔叶面扩散层叶面扩散层大气大气途径：途径：蒸腾速率大小的决定因素：蒸腾速率大小的决定因素：气孔下腔和外界之间的蒸气压差气孔下腔和外界之间的蒸气压差v气孔的频度v气孔的大小v叶片内部的面积内部因素内部因素v光照：光照：影响大气温度和叶温、气孔的导度v空气的相对湿度：影响叶内外的蒸汽压差v温度：增加叶内外的蒸汽压差v风：降低叶片表面空气的相对湿度、外部扩散层的阻力变小外界条件外界条件v促进根系生长、增加吸水能力促进根系生长、增加吸水能力v减少蒸腾面积减少蒸腾面积减慢蒸

24、腾速率的途径减慢蒸腾速率的途径措施：在作物或果树移栽前，保持幼根措施：在作物或果树移栽前，保持幼根、适当去掉一适当去掉一部分枝叶和遮荫。部分枝叶和遮荫。蒸腾强度指标蒸腾强度指标 蒸腾速率蒸腾速率（transpiration rate）是指植物在一定的时间内单位叶面积蒸腾的水量。通常白天15-250，夜间是1-20 g.M-2.h-1。蒸腾系数蒸腾系数（transpiration coefficient）或需水量需水量（water requirement）是指植物积累一克干物质所消耗水分的量，是蒸腾比率的倒数。蒸腾比率蒸腾比率（traspiration ratio）是指植物在一定的生长期内积累的

25、干物质与蒸腾失水量的比值，一般用g.kg-1表示。第六节第六节合理灌溉的生理基础合理灌溉的生理基础 一、一、作物的需水规律作物的需水规律.不同作物对水分的需要量不同不同作物对水分的需要量不同.同一作物不同生育期对水分的需要量不同同一作物不同生育期对水分的需要量不同小麦在不同生长发育时期对水分的需求概况小麦在不同生长发育时期对水分的需求概况、萌芽期 分蘖期、分蘖末期 抽穗期（第一水分临界期）（第一水分临界期）3、抽穗期 开始灌浆期 4、开始灌浆期 乳熟末期（第二水分临界（第二水分临界期）期）5、乳熟末期 完熟期二、合理灌溉的指标二、合理灌溉的指标1.土壤含水土壤含水量指标量指标重力水重力水：在重

26、力作用下通过土壤颗粒间的空隙下降的水分。毛细管水毛细管水：存在于土壤颗粒间的毛细管内的水分。束缚水束缚水：土壤颗粒或土壤胶体的亲水表面所吸附的水合层中的水分。田间持水量田间持水量：当土壤中重力水全部排除而保留全部毛细管水时，土壤的含水量称为田间持水量。2.作物形态指标作物形态指标生长速率下降生长速率下降幼嫩叶的凋萎幼嫩叶的凋萎茎叶颜色变化茎叶颜色变化3.灌溉的生理指标灌溉的生理指标叶片水势叶片水势细胞汁液浓度或渗透势细胞汁液浓度或渗透势气孔状况气孔状况三、灌溉的方法三、灌溉的方法通常采用沟渠漫灌法。通常采用沟渠漫灌法。喷灌（喷灌（sprinklingirrigation）滴灌（滴灌（dripirrigation）调亏灌溉（调亏灌溉（regulateddeficitirrigation，RDI）控制性分根交替灌溉（控制性分根交替灌溉（controlroot-splitedalternativeirragation，CRAI）课后作业：课后作业：1、谈谈你对水势概念的理解。2、植物调控气孔开关的机制是什么？3、高达树木导管的水柱为什么可以连续不断上升？加入某一部分导管的水柱中断了，树木顶部的叶片是否还能吸到水分？为什么？4、在进行树木移栽的时候我们应该注意什么？