Transpiration

Översikt över transpiration:

Vatten transporteras passivt in i rötterna och sedan in i xylemet .
Sammanhållnings- och vidhäftningskrafterna gör att vattenmolekylerna bildar en kolonn i xylemet.
Vatten rör sig från xylem till mesofyllcellerna, avdunstar från deras ytor och lämnar växten genom diffusion genom stomata

Transpiration av vatten i xylem

Stomi i ett tomatblad visat via färgat svepelektronmikroskop

Molnen i denna bild av Amazonas regnskog är ett resultat av evapotranspiration .

Transpiration är processen för vattenrörelse genom en växt och dess avdunstning från luftdelar, såsom löv , stjälkar och blommor . Vatten är nödvändigt för växter men endast en liten mängd vatten som tas upp av rötterna används för tillväxt och ämnesomsättning. De återstående 97–99,5 % går förlorade genom transpiration och guttation . Bladytor är prickade med porer som kallas stomata (singular "stoma"), och i de flesta växter är de fler på undersidan av bladverket. Stomata kantas av skyddsceller och deras stomatala tillbehörsceller (tillsammans kallade stomatala komplex) som öppnar och stänger poren. Transpiration sker genom stomatala öppningar och kan ses som en nödvändig "kostnad" förknippad med öppningen av stomata för att möjliggöra diffusion av koldioxidgas från luften för fotosyntes . Transpiration kyler också växter, ändrar cellernas osmotiska tryck och möjliggör massflöde av mineralnäringsämnen och vatten från rötter till skott . Två viktiga faktorer påverkar hastigheten på vattenflödet från jorden till rötterna: jordens hydrauliska konduktivitet och storleken på tryckgradienten genom jorden. Båda dessa faktorer påverkar hastigheten för bulkflödet av vatten som rör sig från rötterna till stomatala porer i bladen via xylem.

Massflödet av flytande vatten från rötterna till löven drivs delvis av kapillärverkan , men främst av vattenpotentialskillnader . Om vattenpotentialen i den omgivande luften är lägre än vattenpotentialen i stomatalporens bladluftrum, kommer vattenånga att färdas nedför gradienten och flytta från bladluftrummet till atmosfären. Denna rörelse sänker vattenpotentialen i bladluftrummet och orsakar avdunstning av flytande vatten från mesofyllcellernas väggar. Denna avdunstning ökar spänningen på vattenmeniskerna i cellväggarna och minskar deras radie och därmed spänningen som utövas på vattnet i cellerna. På grund av vattnets sammanhängande egenskaper går spänningen genom bladcellerna till blad- och stjälkxylem där ett tillfälligt undertryck skapas när vatten dras upp xylem från rötterna. När avdunstning sker vid bladytan, arbetar egenskaperna för vidhäftning och kohesion i tandem för att dra vattenmolekyler från rötterna, genom xylemvävnad och ut ur växten genom stomata. I högre växter och träd kan tyngdkraften som drar in vattnet endast övervinnas genom minskningen av det hydrostatiska trycket i de övre delarna av växterna på grund av diffusion av vatten ut från stomata till atmosfären . Vatten absorberas av rötterna genom osmos , och alla lösta mineralnäringsämnen färdas med det genom xylemet .

Kohesion -spänningsteorin förklarar hur löv drar vatten genom xylem. Vattenmolekyler håller ihop eller uppvisar kohesion . När en vattenmolekyl avdunstar från bladets yta, drar den i den intilliggande vattenmolekylen, vilket skapar ett kontinuerligt flöde av vatten genom växten.

Etymologi

Vi kan se historien om ordet transpiration när vi bryter ner det i trans, ett latinskt substantiv som betyder "tvärs" och spiration, som kommer från det latinska verbet spīrāre, som betyder "att andas". Rörelse-suffixet lägger till betydelsen "handlingen av", så att vi kan se transpiration är, bokstavligen, "ACT of breathing across", vilket tydligt identifierar ångutsläpp från växtblad.

Kapillärverkan

Kapillärverkan är processen med en vätska som strömmar i trånga utrymmen utan hjälp av, eller ens i opposition till, yttre krafter som gravitation . Effekten kan ses i att vätskor dras upp mellan håren på en pensel, i ett tunt rör, i porösa material som papper och gips, i vissa icke-porösa material som sand och flytande kolfiber, eller i en biologisk cell . Det uppstår på grund av intermolekylära krafter mellan vätskan och omgivande fasta ytor. Om diametern på röret är tillräckligt liten, verkar kombinationen av ytspänning (som orsakas av kohesion i vätskan) och adhesiva krafter mellan vätskan och behållarens vägg för att driva fram vätskan. ^{[ citat behövs ]}

förordning

Växter reglerar transpirationshastigheten genom att kontrollera storleken på stomatala öppningar. Transpirationshastigheten påverkas också av avdunstningsbehovet från atmosfären som omger bladet, såsom gränsskiktets konduktans, fuktighet , temperatur , vind och infallande solljus. Tillsammans med faktorer ovan jord kan markens temperatur och fukt påverka stomatala öppning och därmed transpirationshastigheten. Mängden vatten som förloras av en växt beror också på dess storlek och mängden vatten som absorberas vid rötterna. Transpiration står för det mesta av vattenförlusten av en växt genom bladen och unga stjälkar. Transpiration tjänar till att evaporativt kyla växter, eftersom det förångande vattnet för bort värmeenergi på grund av dess stora latenta förångningsvärme på 2260 kJ per liter.

Funktion	Effekt på transpiration
Antal löv	Fler löv (eller taggar, eller andra fotosyntetiserande organ) betyder en större yta och mer stomata för gasutbyte. Detta kommer att resultera i större vattenförlust.
Antal stomata	Fler stomata kommer att ge fler porer för transpiration.
Bladets storlek	Ett löv med en större yta kommer att spridas snabbare än ett löv med en mindre yta.
Närvaro av växt nagelband	En vaxartad nagelband är relativt ogenomtränglig för vatten och vattenånga och minskar avdunstning från växtytan förutom via stomata. En reflekterande nagelband kommer att minska solvärme och temperaturhöjning av bladet, vilket hjälper till att minska avdunstningshastigheten. Små hårliknande strukturer som kallas trikomer på ytan av löv kan också hämma vattenförlust genom att skapa en miljö med hög luftfuktighet på ytan av löv. Det här är några exempel på växternas anpassningar för bevarande av vatten som kan finnas på många xerofyter .
Ljusförsörjning	Transpirationshastigheten styrs av stomatalöppningen, och dessa små porer öppnar sig speciellt för fotosyntes. Även om det finns undantag från detta (som natt- eller CAM-fotosyntes ), i allmänhet kommer en ljustillförsel att uppmuntra öppna stomata.
Temperatur	Temperaturen påverkar hastigheten på två sätt: 1) En ökad avdunstningshastighet på grund av en temperaturhöjning kommer att påskynda förlusten av vatten. 2) Minskad relativ luftfuktighet utanför bladet ökar vattenpotentialgradienten .
Relativ luftfuktighet	Torra omgivningar ger en brantare vattenpotentialgradient och ökar därmed transpirationshastigheten.
Vind	I stillastående luft kan vatten som går förlorat på grund av transpiration ansamlas i form av ånga nära bladytan. Detta kommer att minska graden av vattenförlust, eftersom vattenpotentialgradienten från insidan till utsidan av bladet då är något mindre. Vinden blåser bort mycket av denna vattenånga nära bladytan, vilket gör den potentiella gradienten brantare och påskyndar spridningen av vattenmolekyler till den omgivande luften. Även i vind kan det dock finnas viss ansamling av vattenånga i ett tunt gränsskikt av långsammare rörlig luft intill bladytan. Ju starkare vinden är, desto tunnare tenderar detta lager att vara, och desto brantare blir vattenpotentialgradienten.
Vattentillgång	Vattenstress orsakad av begränsad vattentillförsel från marken kan resultera i stomatal stängning och minska transpirationshastigheten.

Temperaturens inverkan på växternas transpirationshastighet.
Effekten av vindhastighet på växternas transpirationshastighet.
Effekten av fukt på växternas transpirationshastighet.

Vissa xerofyter kommer att minska ytan på sina löv under vattenbrist (vänster). Om temperaturen är tillräckligt kall och vattennivåerna är tillräckliga expanderar löven igen (höger).

Under en växtsäsong kommer ett blad att få många gånger mer vatten än sin egen vikt. Ett tunnland majs avger cirka 3 000–4 000 gallons (11 400–15 100 liter) vatten varje dag, och en stor ek kan svida 40 000 gallon (151 000 liter) per år. Transpirationsförhållandet är förhållandet mellan mängden vatten som transpirerats och mängden torrsubstans som produceras; transpirationsförhållandet för grödor tenderar att falla mellan 200 och 1000 ( dvs. växtväxter transpirerar 200 till 1000 kg vatten för varje kg torrsubstans som produceras ).

Transpirationshastigheter för växter kan mätas med ett antal tekniker, inklusive potometrar , lysimetrar , porometrar, fotosyntessystem och termometriska savflödessensorer. Isotopmätningar indikerar att transpiration är den största komponenten av evapotranspiration . Nya bevis från en global studie av vattenstabila isotoper visar att transpirerat vatten skiljer sig isotopiskt från grundvatten och vattendrag. Detta tyder på att markvattnet inte är så väl blandat som allmänt antagits.

Ökenväxter har speciellt anpassade strukturer, såsom tjocka nagelband , minskade bladområden, nedsänkta stomata och hårstrån för att minska transpiration och spara vatten. Många kaktusar utför fotosyntes i saftiga stjälkar, snarare än löv, så skottets yta är mycket låg. Många ökenväxter har en speciell typ av fotosyntes, kallad crassulacean syrametabolism eller CAM-fotosyntes, där stomata är stängda på dagen och öppna på natten då transpirationen blir lägre.

Kavitation

För att bibehålla den tryckgradient som krävs för att en växt ska förbli frisk måste den kontinuerligt ta upp vatten med sina rötter. De måste kunna möta kraven på vatten som går förlorat på grund av transpiration. Om en växt är oförmögen att ta in tillräckligt med vatten för att förbli i jämvikt med transpiration inträffar en händelse som kallas kavitation . Kavitation är när växten inte kan förse sitt xylem med tillräckligt med vatten så istället för att fyllas med vatten börjar xylemet att fyllas med vattenånga. Dessa partiklar av vattenånga kommer samman och bildar blockeringar i växtens xylem. Detta hindrar växten från att kunna transportera vatten genom hela sitt kärlsystem. Det finns inget uppenbart mönster av var kavitation uppstår i hela växtens xylem. Om den inte tas om hand på ett effektivt sätt kan kavitation få en växt att nå sin permanenta vissnningspunkt och dö. Därför måste växten ha en metod för att ta bort denna kavitationsblockering, eller så måste den skapa en ny anslutning av kärlvävnad i hela växten. Växten gör detta genom att stänga sina stomater över natten, vilket stoppar transpirationsflödet. Detta gör det sedan möjligt för rötterna att generera över 0,05 mPa tryck, och det kan förstöra blockeringen och fylla på xylemet med vatten och återansluta kärlsystemet. Om en växt inte kan generera tillräckligt med tryck för att utrota blockeringen måste den förhindra blockeringen från att spridas med hjälp av gropäron och sedan skapa nytt xylem som kan återansluta växtens kärlsystem.

Forskare har börjat använda magnetisk resonanstomografi (MRT) för att övervaka xylemets inre status under transpiration, på ett icke-invasivt sätt. Denna bildbehandlingsmetod gör det möjligt för forskare att visualisera vattnets rörelse genom hela växten. Det är också kapabelt att se vilken fas vattnet befinner sig i medan det är i xylem, vilket gör det möjligt att visualisera kavitationshändelser. Forskare kunde se att under 20 timmars solljus började mer än 10 xylemkärl fyllas med gaspartiklar som blev kaviterade. MRI-teknik gjorde det också möjligt att se processen genom vilken dessa xylemstrukturer repareras i anläggningen. Efter tre timmar i mörker såg man att kärlvävnaden återförsågs med flytande vatten. Detta var möjligt eftersom växtens stomater är stängda i mörker och transpiration inte längre inträffar. När transpirationen stoppas förstörs kavitationsbubblorna av trycket som genereras av rötterna. Dessa observationer tyder på att MRI kan övervaka den funktionella statusen för xylem och gör det möjligt för forskare att se kavitationshändelser för första gången.

Effekter på miljön

Kyl

Transpirationskylning är den kylning som tillhandahålls när växter transpirerar vatten. Grön vegetation bidrar till att dämpa klimatet genom att vara svalare än intilliggande barjord eller konstruerade områden. När växternas blad tränger ut använder de energi för att avdunsta vatten som samlas upp till en enorm volym globalt varje dag.

^{träd på .} som transpirerar 100 liter vatten motsvarar en kyleffekt 70 kWh Stadsvärmeöeffekter kan hänföras till att vegetation ersätts med konstruerade ytor. Avskogade områden visar en högre temperatur än intilliggande intakt skog. Skogar och andra naturliga ekosystem stödjer klimatstabilisering.

Jordens energibudget avslöjar vägar för att mildra klimatförändringar med hjälp av vår kunskap om effektiviteten av hur växter kyler och modererar västerländska tillvägagångssätt med bevisade inhemska och traditionella kunskapskällor.

Se även

Antitranspirant – ett ämne för att förhindra transpiration
Kapellkonduktans
Ekohydrologi
Eddy covariance flux (aka eddy correlation, eddy flux)
Hydrologi (jordbruk)
Latent värmeflöde
Svett
Jordväxtatmosfär kontinuum
Stomatal konduktans
Transpirationsström
Turgor tryck
System för utvärdering och planering av vatten (WEAP)

externa länkar

USGS Vattnets kretslopp: Evapotranspiration