知识背景
夏天中午站在杭州西湖边的柳树下,会觉得比马路上凉快好几度。这不只是遮阴的功劳——柳树的叶片正在源源不断地把水变成水蒸气散发出去,汽化要吸热,于是树下的空气被「降温」了。
这个过程叫蒸腾作用:水分以水蒸气的形式从植物体内散失到大气中。数字很惊人:一株玉米一生消耗约 水,其中约 被蒸腾掉,只有 真正参与光合作用等生理活动。乍看是巨大的浪费,实则是植物精心设计的「水泵」——正是这股向上的拉力,把根吸的水和无机盐送上了树冠。
而这一切的总开关,是叶片下表皮上那些肉眼看不见的小孔:气孔。它由两个半月形的保卫细胞围成,能开能合,同时管着水蒸气的出口和二氧化碳、氧气的通道。
知识讲解
叶的结构
叶片由三部分组成:表皮(上表皮与下表皮,无色透明便于透光,外有不易透水的角质层,上面分布着气孔)、叶肉(含大量叶绿体,是光合作用的主要场所)、叶脉(内有导管和筛管,既运输物质又支持叶片)。
| 结构 | 特点 | 功能 |
|---|---|---|
| 上表皮 | 细胞排列紧密,角质层较厚,气孔较少 | 保护、减少水分散失 |
| 下表皮 | 气孔较多 | 气体交换与水分散失的主要通道 |
| 叶肉 | 靠上的栅栏组织叶绿体多,靠下的海绵组织叶绿体少、间隙大 | 光合作用的主要场所 |
| 叶脉 | 含导管(运水与无机盐)与筛管(运有机物) | 运输与支持 |
为什么下表皮气孔更多:下表皮受阳光直射少、温度较低,气孔开在这里既能保证气体交换,又能减少水分过度散失。这也解释了为什么浮在水面的睡莲反而上表皮气孔多——它的下表皮贴着水,气体无法交换。
气孔
气孔是由两个保卫细胞围成的小孔,是植物体与外界进行气体交换的「门户」,也是水蒸气散失的通道。
开合机制:保卫细胞吸水膨胀时向外弯曲,气孔张开;失水收缩时气孔关闭。所以中午强光高温、植物缺水时,气孔会部分关闭以减少水分散失,代价是二氧化碳进入减少、光合作用随之减弱(「午休现象」)。
蒸腾作用的意义与影响因素
三大意义:一是产生向上的拉力,是根吸水与水分向上运输的主要动力;二是促进无机盐随水一起在植物体内运输;三是降低叶片和周围环境的温度,防止叶片被强光灼伤。
影响因素(凡是能加快水汽化与扩散的条件,都会使蒸腾加强):光照越强越快(气孔开放、温度升高);温度越高越快;空气湿度越低越快;空气流动(风)越快越快;此外叶面积越大、气孔数目越多,蒸腾也越强。
- 蒸腾作用:散失的是水蒸气,场所主要是气孔,是物理过程(汽化),白天强、夜间弱。
- 光合作用:吸收二氧化碳放出氧气,场所是叶绿体,只在有光时进行。
- 呼吸作用:吸收氧气放出二氧化碳,场所是线粒体,昼夜不停。
- 三者的共同「通道」都是气孔,所以气孔关闭时三者都会受影响。
实验与探究
用镊子从新鲜的蚕豆叶(或菠菜叶)下表皮撕取一小片薄膜,制成临时装片,在显微镜下观察。
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第一步:制片与观察要点。 在洁净载玻片中央滴一滴清水,把撕下的表皮平展放入(不能折叠,否则重叠处看不清),盖上盖玻片时从一侧慢慢放下以避免气泡。先用低倍镜找到视野中细胞较少的区域,再转高倍镜观察。第二步:预期看到什么。 视野中是大量排列紧密、不含叶绿体的无色表皮细胞,其间散布着由两个半月形保卫细胞围成的小孔,即气孔;保卫细胞内含有叶绿体,颜色略绿。
第三步:设计一个比较上下表皮气孔数目的方案。 分别撕取同一叶片的上、下表皮制片,在相同放大倍数下选若干个视野分别计数,各取平均值再比较,可得出下表皮气孔数目更多。第四步:说明多视野取平均的原因。 气孔在叶面上分布不均匀,只数一个视野偶然性太大;多视野取平均能减小误差,使结论可靠。
取同一株植物上大小相近的三片叶:甲只在上表面涂凡士林,乙只在下表面涂凡士林,丙不涂。分别插入三支装等量水的试管(水面滴一层油),置于相同的光照通风条件下,一段时间后比较液面下降量。
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第一步:明确原理与变量。 凡士林能堵住气孔,涂在哪一面就阻断哪一面的水分散失。自变量是涂凡士林的部位,因变量是液面下降量(代表蒸腾失水量);叶片大小、水量、光照、温度、风速都要相同。第二步:预期结果。 液面下降量:丙最多,甲较多,乙最少。
第三步:由结果得出结论。 甲只堵上表面,仍能从气孔多的下表面大量散失,故下降较多;乙堵住了下表面,散失通道被大幅切断,故下降最少。结论:下表皮气孔多,蒸腾作用比上表皮强。第四步:说明两个关键细节。 水面必须滴一层植物油,排除水的自然蒸发这一干扰;凡士林要涂均匀且薄,涂得太厚会压伤叶片、太不均匀则堵不严,都会使数据失真。
经典例题
小科把一株带叶植物连同花盆一起放在电子天平上,用塑料袋密封盆土(只露出植株),在光照下每小时记录一次质量。前 小时质量由 减少到 。已知该植株叶片总面积为 。(1)为什么要用塑料袋密封盆土?(2)求这 小时的平均蒸腾速率(单位:)。(3)求每小时每平方厘米叶面积的蒸腾量。(4)若把装置移到通风的阳台,速率会怎样变化?
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第一步:分析实验设计(第 1 问)。 花盆中的水会自然蒸发,也会使天平读数减小。用塑料袋密封盆土,就把这部分干扰排除,保证质量的减少全部由植物的蒸腾作用造成。这是本题的「控制变量」考点。
第二步:求减少的质量。 ,这就是 小时蒸腾散失的水的质量。
第三步:求平均蒸腾速率(第 2 问)。 速率 。第四步:求单位叶面积的蒸腾量(第 3 问)。 用上一步的速率除以叶面积:。
第五步:检验单位与合理性。 第 2 问「克除以小时」得 ,第 3 问再除以面积得 ,单位推导正确;反乘验算 ,与实测的减少量吻合。
第六步:判断通风后的变化(第 4 问)。 通风加快叶片周围水蒸气的扩散,使叶面附近湿度降低,蒸腾加快,速率会大于 。答:密封是为排除盆土水分蒸发的干扰;平均速率 ;单位叶面积为 ;通风后蒸腾加快。
难点与易错点
- 认为蒸腾作用散失的是水:散失的是水蒸气,是水在叶内汽化后经气孔扩散出去的。
- 把气孔说成一个「洞」:气孔是由两个保卫细胞围成的可开可闭的孔,开合由保卫细胞的吸水与失水控制。
- 认为气孔只管水:它同时是二氧化碳与氧气进出的通道,所以关闭时光合与呼吸都受影响。
- 认为所有植物都下表皮气孔多:浮水植物(如睡莲)上表皮气孔多,因为下表皮贴水无法换气。
- 测蒸腾量时忘记排除水面或盆土的自然蒸发:必须滴油或密封,否则结果偏大。
- 认为蒸腾是浪费:它是根吸水与水向上运输的主要动力,还能降温。
- 混淆三种作用的场所:蒸腾在气孔,光合在叶绿体,呼吸在线粒体。
生活中的应用
- 亚运场馆周边大量种树:夏日树荫下明显凉爽,除遮阳外,蒸腾作用汽化吸热为局部空气降温,是天然的「空调」。
- 移栽树木要剪去部分枝叶并遮阴:根毛受损后吸水不足,减少叶片就减少蒸腾失水,提高成活率。
- 给蔬菜大棚覆膜与喷雾保湿:提高棚内湿度能减弱蒸腾,减少灌水次数,也避免叶片午间失水萎蔫。
- 仙人掌的叶退化成刺:叶面积极小、气孔极少且夜间开放,把蒸腾降到最低,才能在干旱环境中存活。
生活应用题 1 · 为什么移栽的桂花要「三分栽七分管」
园林工人移栽一棵桂花:先剪去约一半枝叶,带土球移栽,栽后浇透水,再用遮阳网遮挡数日。(1)逐条说明这四项措施的科学道理。(2)如果不剪枝叶会怎样?(3)为什么阴天或傍晚移栽成活率更高?
分步解:
- 找出移栽的核心矛盾:移栽必然折断大量根毛,吸水能力骤减,而叶片的蒸腾作用仍在继续,容易失水多于吸水。
- 解释剪枝叶与遮阳(第 1 问上半):剪去一半枝叶可减小蒸腾面积;遮阳网降低光照强度与温度,使气孔部分关闭,两者都减弱蒸腾。
- 解释带土球与浇透水(第 1 问下半):带土球是为保护根毛、减少断根;浇透水使土壤溶液浓度低于根毛细胞液浓度,恢复吸水条件,同时使土与根紧密接触。
- 分析不剪枝叶的后果(第 2 问):蒸腾失水远大于吸水,叶片萎蔫、枝条枯死,严重时整株死亡。
- 解释时机的选择(第 3 问):阴天或傍晚光照弱、温度低、湿度较高,蒸腾作用弱,植株失水少,有更充足的时间恢复根系。
生活应用题 2 · 一片西溪湿地林地一天蒸腾多少水
某林地面积为 ,平均每平方米地面上的叶片总面积为 。晴天时每平方米叶面积每小时蒸腾水约 ,按每天有效蒸腾 小时计算。(1)求这片林地一天蒸腾的水的质量。(2)相当于多少立方米的水?(水的密度取 )(3)说明这对城市有什么意义。
分步解:
- 求林地的叶面积总量:。
- 求一天蒸腾的质量(第 1 问):,即 吨。
- 由质量求体积(第 2 问):。
- 检验单位与合理性:,单位正确; 吨水恰为 ,与水「一吨一立方米」的常识相符。
- 说明意义(第 3 问):这 水汽化时吸收大量热,能明显降低周围气温、增加空气湿度,缓解城市热岛效应,这也是湿地与绿地被称为城市「绿肺」的原因之一。
考点
- 叶片的三部分结构及各部分的功能,上下表皮气孔数目的差异与原因。
- 气孔的组成(两个保卫细胞)与开合机制(吸水张开、失水关闭)。
- 蒸腾作用的概念:散失的是水蒸气,主要通道是气孔。
- 蒸腾作用的三大意义,尤其是「根吸水与向上运输的主要动力」。
- 影响蒸腾的四个因素:光照、温度、湿度、空气流动。
- 蒸腾、光合、呼吸三者的对比:物质、场所、时间。
- 定量实验设计:滴油或密封以排除自然蒸发,由质量减少量求蒸腾速率。
中考真题
小科设计如图装置研究蒸腾作用:在两支相同的试管中装等量清水,甲插入一枝带 片叶的枝条,乙插入一枝摘去全部叶片的同种枝条,水面均滴一层植物油,置于阳光下。 小时后甲的液面下降 ,乙下降 。(1)水面滴油的目的是什么?(2)乙的液面为什么也会下降?(3)由数据可得出什么结论?(4)若把甲移到黑暗处,液面下降量会如何变化?
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第一步:说明滴油的目的(第 1 问)。 植物油浮在水面隔绝空气,防止水自然蒸发,保证液面下降全部由枝条吸水(进而蒸腾)造成,这是排除干扰因素的关键操作。
第二步:解释乙也下降(第 2 问)。 摘去叶片后蒸腾大幅减弱,但茎的表面(以及叶痕、幼嫩枝条上的气孔)仍能散失少量水分,同时枝条自身也会吸收少量水,故液面仍略有下降。
第三步:得出结论(第 3 问)。 甲下降 、乙仅 ,相差十余倍,说明蒸腾作用主要通过叶片进行,叶片是水分散失的主要器官。第四步:判断移入黑暗后的变化(第 4 问)。 黑暗中光照消失、温度降低,气孔部分关闭,蒸腾作用减弱,液面下降量会明显减小。答:滴油为排除自然蒸发;乙下降源于茎的少量散失;结论是蒸腾主要靠叶片;移入黑暗后下降量减小。
夏季晴天,测得某植物叶片在一天中的蒸腾速率变化是:清晨较低,上午迅速升高,正午前后略有下降,下午回升后又逐渐降低,夜间最低。(1)上午升高的原因是什么?(2)正午前后为什么反而略有下降?(3)夜间最低的原因是什么?(4)这一现象对夏季给作物浇水有什么启示?
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第一步:解释上午升高(第 1 问)。 随着光照增强、温度升高,气孔逐渐张开,叶内水分汽化加快、向外扩散加快,蒸腾速率迅速升高。
第二步:解释正午的下降(第 2 问)。 正午光照最强、温度最高,蒸腾过于旺盛导致叶片失水过多,保卫细胞随之失水收缩,气孔部分关闭,散失通道变窄,蒸腾速率反而略有下降——这就是「午休现象」。
第三步:解释夜间最低(第 3 问)。 夜间无光,温度降低、湿度升高,气孔关闭,水分汽化与扩散都减弱,故蒸腾速率最低。第四步:得出浇水启示(第 4 问)。 应在清晨或傍晚浇水:此时蒸腾与地面蒸发都较弱,水能更多地被根吸收利用;正午高温时浇水既蒸发浪费大,冷水刺激也不利于根系。答:上午因光温升高、气孔张开;正午因失水过多致气孔部分关闭;夜间因无光气孔关闭;启示是宜在清晨或傍晚浇水。