水為什麼能“爬上”百米高的大樹?

本文圍繞“水為什麼能『爬上』百米高的大樹”這一問題,以北美紅杉為例,從拉力、水絲結實度、導管阻力、根壓推力等方面解釋了水分在大樹中向上運輸的原理,並測算得出樹木生長的極限高度約為122~130米。

水為什麼能“爬上”百米高的大樹

在美國加利福尼亞州落基山山谷中,生長著一群2000多歲的北美紅杉,其中最高的高度竟然達到112.7米,莖粗8米多,比30層的樓房還要高!那麼高的樹,水是怎麼“爬上去”的?它還有可能再長高嗎?

把水分從根部提升到百米高的樹冠可不是件容易的事。首先,水分被根毛細胞吸收,運送到木質部的導管,再經導管輸送到頂端的枝條、葉片。這個過程可以想像成樹冠在用導管中的水絲進行的拔河比賽,既要從上面“拉”,中途“不斷”,還要從根部“推”。

那麼,百米高的大樹能否產生足夠的拉力呢?科學家收集了不同高度的頂部枝條來測量它們的水勢(拉力),發現越高處的枝條拉力越大。中途的關鍵是它不能把水絲拉斷,因為水絲一旦被拉斷,導管中就會形成氣泡,阻斷水分的運輸。樹冠越高,水絲自身重力和導管阻力就越大,水絲所要承受的拉力就越大,被拉斷的可能性也越大。所以,水絲最終能被拉多高,取決於水絲的結實程度,這一點由水分子之間的黏著力和表面張力決定。科學家發現北美紅杉的導管壁很堅韌,對水的阻力也比其他樹種要低。我們知道,在這樣的拔河比賽中,拉力要大於水絲重力和導管阻力之和才能取勝。在水絲承受同樣的拉力下,由於紅杉樹導管阻力較小,所以水可以被拉升得更高。

至於推力,當我們將植物幼苗的莖下部切斷時,特別在悶熱的天氣,或夏天的清晨,往往會看到切面有液體流出,這就是根壓(推力)。我們可以想像,這些百米大樹有很深的根系和很大的根壓。由此可見,水在大樹中的運動不是一個簡單的機械運動,其實,各種細胞的生命活動都起了重要作用。

在地球重力的作用下,水是有一定重量的,樹木生長得越高,向頂端輸送的水就越多,越重,越困難。到一定的困難程度,其頂端生長會因缺水而受到阻礙,停止繼續長高。越高的枝條上長的葉子越小,112米樹頂的葉片小得就像是貼在枝條上的鱗片。這些高齡的樹木目前仍在長高,其速度每年約25厘米。根據測算,如果高度再增加15米,頂端樹葉將會因為嚴重失水而完全乾枯。由此得出結論:樹木生長的極限高度約為122~130米,這一結論也與歷史上樹木的最高紀錄相吻合。