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发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]树木生长中的力学行为——方广盛  莫淑华
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:32:08 2005), 站内

树木生长中的力学行为

方广盛  莫淑华


    树木——人类的朋友

    远在恐龙漫游大地之前，地球上的树木已经是千姿百态，郁郁葱葱，花果芬芳，一派生机了。树木是木质多年生植物，通常把它分为乔木和灌木两种。乔木是l．3米以上，只有一个直立主干的树木；灌木是直立的、具有丛生茎的树木。我国现有木本植物约 7000多种，属乔木者约占1/3以上，但是作为工业用材而供应市场的只不过1000种，常见的约300种。

    倘若没有树木，地球会像火星、月球一样，一幅荒漠化的景象，人类不可能繁衍延续到今天。

    地球上拥有充足的空气、水和阳光，这些是树木存活、生长和繁衍的必要条件。树木为生活在地球上的人类营造出了天然的乐园：树木的枝叶翻动摇曳，借助太阳光能蒸腾水分，增加地球表层空气湿度，缓解盛夏的炎热，是天然的“加湿器”和“空调器”；树木叶面能吸附和过滤灰尘、粉尘和烟尘，净化空气，是天然的“过滤器”。此外，树木还能吸收人们排放出的二氧化碳，放出氧气，调节空气的正常成分比含量，是“绿色工厂”；树木的集合，能够减弱风力和风速，保护土壤、建筑物等免受风蚀，是天然“风障”；树木能降低城市和街道噪声，是天然“隔音板”和“消声器”；树木能减弱降雨对地面的冲刷，减少水土流失，是天然“雨、水障”；树木能氧化和分解有毒气体，是天然“防疫员”；树木能监（可）测环境污染程度、种类和毒性强度，是天然“监测兵”。还有，树木为人类提供了丰盛的果实、药材和衣、食、住、行的永续原材料。因此，可以说，树木是人类不可多得的朋友，没有树木和森林，就没有人类的生活，更没有人类的生存与发展。树木——人类真正的朋友。


    伴随流体输送现象的树木生长

    树木在生长发育过程中，形成了高度发达的营养体。水分及营养液等流体的输运现象始终伴随着树木营养生长的生理过程。这里仅简要地加以说明。

    树木由树梢沿主轴向上生长（高生长），也在土壤深处向下生长（根生长），中间的树干（图1）部分沿着径向生长（加粗）。前一年形成的树干部分到了次年不会再进行高生长。有人曾做过这样一个小实验：在距离地面1～2米处的树干上钉入一根铁钉，几年后树木长高长粗了，但那颗铁钉距离地面的高度却没有发生变化。

    树木从天上接受阳光的沐浴，到地下去寻觅水分，把原料从树根输送到叶片。由叶子制造养分，将养分向下输送，供给树木生长需要。这样，树木生长过程中，形成了非常协调完备的水分及养分的输送系统。

    一株红杉（美）树高达112米，一株杏仁桉（奥）树竟高达156米，一株银杏（中）树龄达3000年，一株世界爷（美）树龄竟达7800年。那么对于如此高大、如此年久的树木，体内各种物质（水、矿物质、可溶性碳水化合物和激素等等）是怎样输送的呢？即树液（98％的水和可溶矿物质）是靠什么力量由树根上升到树梢的呢？而营养液又是靠什么力量从叶部运回到根部的呢？同时，那些输送通路又是如何呢？

    为了弄清上述流体力学现象，我们先来观察一下树干的横切面（图2），它的最外层是树皮（外皮），树皮里边一层是韧皮部（也叫内皮），经它将营养液由叶部输送到树木的其他部分（包括根在内）。再向内一层是形成层，它的细胞不断分裂，使树木沿径向生长而不断加粗。再往里是边材和心材，即木质部，木质部中被叫做导管的细胞组织，它将树液输送到茎和叶部。

 
    树木体内营养液的流动

    树木由绿色的叶子依靠由根系吸收的水分和矿物质，再通过吸收太阳能进行光合作用共同来制造有机物（糖类、酸类等）树木营养液，以供给树各部的生长、增强、修复组织和繁殖等等。那么，营养液是通过什么途径、以什么为动力来输送的呢？为此，科学家们做了许多实验，获取了不少数据，得出了如下一些结论：

    （1）环割实验证明，树木营养液是通过韧皮部的细胞以直线方式，即由上向下运输，这是长途运输，而细胞间的运输则主要由胞间连丝为通道。

    （2）压力流动模型实验证明，树木营养液的流动动力是流体静压力。即净生产细胞（如一片成熟叶）由于光合作用制造大量糖而保持较高的溶质浓度，水便通过渗透作用不断进入净生产细胞，使胞内的流体静压力增加，迫使营养液经过胞间连丝进入韧皮部。而净消费细胞（可以是一个根细胞、一个有代谢作用的细胞，或一个果实细胞）由于呼吸、生长和储藏保持着较低的溶质浓度，胞内流体静压力较低。这样，营养液便沿压力梯度向下运输到根部。

    上述营养液在韧皮部的流动动力已经清楚，那么，它的流动速度又如何呢？近年来的研究表明：韧度部转移营养液的最高速度在阔叶树中是0．4～0．7米/小时，在针叶树中是0．18～0．2米/小时。

    根据上述树木营养液的输送速度，对于一株30米高的松树和杨树，营养液由树冠输送到树根的最短时间分别为7天和1．8天，而对于112米的红杉来说约需20多天的时间。


    树木体内的水分流动

    水在土壤-树木-大气这个系统中的重要性，无论怎样强调都不过分。这是因为水的可利用程度是控制树木存活和分布的诸因子中最重要的一个。从生理方面来看，水能保持树木的细胞充分膨胀，使得细胞才能增长和变粗，树木才能生长和维持一定的形状，气孔才会张开，树木才会运动（如放叶和开花）。

    树木所需的水分几乎全部由根系（吸水器官）吸取，并沿木质部（从根部到叶部）向上长距离移动。那么，水分是靠什么动力来提升的呢？研究结果表明，动力有两种：一种是根压，另一种是蒸腾拉力。

    所谓根压是指树木根系的生理活动使树液从根部上升的压力。根压把根部的水分压到地面上部，土壤中的水分才能不断补充进来，从而形成根系吸水过程。这是由根部形成力量引起的主动吸水。不过，根压一般只有0.1～0.2MPa，只能使木质部导管中的水柱升高10～20米，而许多乔木的高度是远远超过这个数值的。

    树木叶片的蒸腾拉力也是体内水分上升的主要动力。蒸腾拉力是怎样产生的呢？当树木叶片蒸腾失水时，叶肉细胞便产生很低的水势，形成-3～-1MPa的负压，即产生对下部连续水柱的拉力，这就是蒸腾拉力。木质部导管中的水柱的上端受到强大的蒸腾拉力，克服水柱本身的重力和输运过程中产生的阻力，从而使水柱连续不断地进入叶部。可是，水柱在拉力作用下会不会断开呢？这取决于水分子间的吸收力（即内聚力）和水分子与管壁间的附着力的大小。据实验测定，0．5毫米直径毛细管中的水线，在20℃时可耐受27MPa的离心力而不断裂且不与管壁脱离。这个事实间接地说明了蒸腾拉力既能够把木质部中的水分拉到叶部，又不会把水柱拉断，从而使树木根部的水分源源不断地输运到叶部，保证了树木的枝繁叶茂。

    水分通过木质部由下向上流动，其速度因树种不同而异。据在树木胸高处测定，一般阔叶树种中环孔材水分流动速度为25～60米/小时。目前所知，欧洲栎环孔材水分流动速度高达 43．6米/小时；散孔材为1～6米/小时；而针叶树材一般为1～2米/小时。


    结束语

    在树木的生长过程中伴随着各种各样的力学行为，这里介绍的内容仅仅是其中的一小部分。尽管人们从30年代已开始在宏观上，后来又在微观上进行了不懈地研究和探索，但仍有大量的力学问题有待解决。随着社会的发展，人类的进步，树木这个难得的朋友，对人类将越来越重要。爱护树木，多植树木，就是进步。

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