1．在制作叶片横切面的临时切片时，正确的切叶方法是( 　　)

A、缓慢地切下　　　　　　　　　　 B、迅速地一次切割

C、迅速地来回拉切　　　　　　　　 D、缓慢地来回切拉

教学反思

课时作业

2．叶片的基本结构

水是生命之源，是人类赖以生存的基本条件，这是人类的共识。但是长久以来，由于人类对水资源缺乏足够的重视，使得人类目前正在面临严重的水资源危机。

联合国的数据表明，上一个世纪全球用水量增长了6倍，是同期人类人口增长的2倍之多，快速增长的水需求造成人类有史以来最严重的用水危机。目前世界上有40%的人口面临严重的水资源短缺，其中12亿人口无法获得安全的饮用水，24亿人口的生活用水没有经过有效的清洁处理；每年死于与水有关的疾病的儿童达200万人；在一些最贫困的国家，由于无法获得足够的清洁用水，1/5的儿童因感染与水有关的疾病在5岁之前就离开了人世。下一个10年，全球会有10亿人类为获得安全而清洁的水资源而苦苦挣扎。

不仅如此，不断增加的水污染和不合理用水加剧了水资源的危机。目前全球地下水位正在逐步下降，很多河流干枯，陆地淡水湖湖面急剧缩小，因争夺水资源而引起的地区冲突越来越普遍。到2025年，全球城镇人口将是现在的两倍，达到40亿，而同期生活和工业用水根本无法达到相应的水平，因此全球人口用水的品质将明显下降，人类面对的水资源危机将愈来愈严重。

正是全球这种严峻的水资源形势，使得水资源话题成为这次“可持续发展世界首脑峰会”的重要议题之一，不仅如此，由于水资源对此次“峰会”的其他议题(能源、健康、农业和生物多样性)有着至关重要的作用，因此也是这次“峰会”首先讨论的问题。根据此次联合国的提案，为了减缓日益严重的水危机，全球到2015年的目标为：无法获得安全饮用水的人口应维持到目前的水平不再扩大；使用未经处理的用水人口应维持现有的水平不再扩大；与此同时，通过开发综合水资源控制系统，改善农业灌溉用水的水平，提高水资源的再生能力，以及保护陆地淡水资源等多项措施，改善人类水资源的现状，真正实现人类可持续发展。

尽管如此，人类面对的水资源形势仍不容乐观，人口的持续发展和用水量的急剧增长，使人类已经面临水资源危机，如果人类不采取切实有效的行动的话，人类未来出现水饥荒是无法避免的。

水循环是指水的动态平衡，它是水分子从地球表面通过蒸发进到大气，然后遇冷凝结通过雨、雪或其他降水形式又回到地球表面的运动，这是地球上太阳能所推动的各种循环中的一个中心循环。水和热是构成一切生态系统的基本条件。水依靠热能来推动，才能不断循环。

水循环实际上是由大循环和小循环组成，大循环是指从海洋蒸发出来的水源，被气流运送到大陆上空，凝结成水，落到地面，又沿地面或地下流入江河，最后汇入海洋的水分运动过程。这种海陆间的水分循环，又称外循环。小循环是指海洋或陆地上水经蒸发、凝结降到海洋或陆地上的水分运动过程。这种由海洋到海洋或从陆地到陆地的水分循环，又称内循环。

水是生物圈中最丰富的物质。地球上的水资源总量约有1.38×10¹⁸立方米，在海洋中，水的贮量约占地球水资源总量的97.2%，还有大约2.15%的水以极地冰盖、大陆冰川和积雪等固态形式存在。以云雾、水汽等气态悬浮于海洋和大陆上空的水分，不超过全球水量的0.001%。这部分水量虽少，却是海洋和大陆水的来源，它由海洋、陆地地表水不断蒸发而得到补充。植物依靠这部分水赖以生存。大陆上年平均降水量为710毫米，其中，470毫米水量是由大陆本身蒸发提供的。

全世界通过降水量提供给大陆的年平均淡水资源总量约为119万亿方，其中径流量为47万亿方，蒸发量为72亿方。1975年估计全世界消耗水资源3万亿方，现每年增加用水量800-900亿方，估计到2000年用水量达6万亿方。这个数量和径流量对比，可知淡水资源总量并不缺乏。但是，降水量在空间和时间上分布不均匀，造成有些地区或某些时间仍然严重缺水。为了弥补水资源时空分布不均的缺陷，需要发挥水库以及森林和草原等生态系统涵养水源的作用。

水对生态系统的作用是多方面的。

第一，水是生命生存的前提。水循环通过海洋和陆地的蒸发，连续产生淡水，给陆地生物提供淡水来源，维持着生物的生命活动和繁衍。有些植物水分含量可达90%。水循环属于生态系统中物质循环的一部分。没有水，生态系统就无法开动。

第二，水在生态系统中起着能量传递和利用作用。水是最好的溶剂，绝大多数物质都溶于水，因此，水循环和矿物元素的生物地球化学循环密切地交织在一起。据统计，地球陆地上每年有36×10¹⁸克的水流入海洋，在这些水中，每年携带有大量有机和无机养分，流失和较长期地禁锢，无疑是对生态系统中物质的损失。氮、磷、钾在循环过程中，都容易随着灌溉和水蚀而流失。

第三，水是地质变化的动力。其他物质循环都是结合水循环进行的，水是其他物质循环的载体，各种物质只有借助于水，才能在生态系统中永无止境地流动。因此，水循环是生态系统物质循环中最活跃的因素，对水循环的任何干扰，都会影响到其他循环，甚至造成其他循环的瓦解。

第四，水是所有养分的介质，养分循环和水循环不可分割。地球上水的循环，还把陆生生态系统和水生生态系统连接起来，从而使局部的生态系统与整个生物圈发生联系。

地球上的水时刻都在运动着。海洋水、大气水和陆地水，通过固体、液体和气体三相变化，不停地相互交换。含有水的潮湿的表面，有蒸发；植物通过叶片大量释放水分，进行蒸腾，二者结合起来，称为“蒸发蒸腾作用”。这是水循环的重要的动力，也是水的一种良好的净化过程。通过蒸发蒸腾和降水，大气中的水汽每隔10天就可更换一次(据H．Friedman，1984)，这一事实充分表现了水分循环的巨大力量。

影响水循环的因素很多，但基本上决定于地球表面的辐射平衡和大气环流以及下垫面的情况，如地形，地貌土壤、植被等因素。作为下垫面的森林生态系统对水分小循环有明显作用。有人研究亚马逊河的森林后，认为该地雨量的1/3-2/3来自小循环，森林被大面积毁灭后，水分小循环将大量减少，亚马逊河流域的气候将趋向干旱。

植物群落是水循环中的一个重要环节。植物光合作用和蒸腾作用都需要水分，从土壤进入植物体内的水，有95%-97%，通过蒸腾损失掉，同时还通过细胞壁排出水汽。据计算，植物每生产一公斤干物质，平均要蒸腾掉100公斤水，增加了空气的湿度。在一定的气候条件下，若想得到20吨鲜重的农作物，需要2000吨水。森林或草原生态系统在促进水循环上，更具有十分重要的作用，它把自然界的水分大循环，引入到生态系统的水分小循环之中，提高了水的利用效率，也提高了水的质量。总之，水循环规模巨大，牵动范围深广。它大到全球范围的水分往复交换，小到每一株植物体的水分循环。水循环好像贯穿每个生态系统的大动脉，生态系统的物质循环，处于无限的水循环之中。

想要保持生态系统的稳定，首先要维持水量平衡。水量平衡是指输入的水量与转出的水量大致相等，即降落的水量与流失、蒸发所输出的水量是平衡的。

在第7章我们曾经介绍，早在1642年，比利时科学家Helmont通过柳树栽种和称重实验，提出柳树获得的物质增重只是来源于水。他当时不知道，增重的生物质除了部分来源于水以外，还主要来源于空气中的CO₂。尽管Helmont对实验结果的部分解释是错误的，但在当时来说，他的这一项实验仍然十分精彩。该实验表明水是植物体的重要组成部分，在植物的物质与能量代谢中具有重要作用。生长活跃的植物组织或细胞，其中含水量一般为70%-80%。细胞含水量下降会使原生质由溶胶状态变成凝胶状态，生命活动减弱，严重时甚至导致细胞死亡。几乎所有的无机物和有机物都需要溶解在水中才能被植物吸收和在植物体内被输送到所需要的部位。光合作用、呼吸作用、一些有机物的合成与水解等都需要水分子的直接参与。水分还能使植物保持固有的状态，使枝叶挺立舒展，花朵开放等等。因为植物体内水分的吸收和运输对于植物的生长是至关重要的。

　我们在观察植物的生长时不难发现，植物生长所需要的水分、矿物营养和氧气主要来源于土壤，CO₂则来源于空气(如上图)。将一株切去了根部的植物放在含有染料的水中，如果植物的茎是透明的，我们就能观察到有颜色的水分在植物体中向上流动。在白天，它们流动得非常快，速度可达到10-100cm/min。植物根系从土壤中吸收的水分首先通过根部的皮层进入到中柱的木质部，然后通过根与茎相互连通的木质部中的导管与管胞，向上输送，经过叶柄到达叶片。水分进入叶肉细胞后在细胞表面蒸发，通过叶片的气孔逸出(如下图)。

　通常，植物蒸腾的速度非常快。有时一棵树每小时甚至可以蒸腾掉近200 L的水，在一个生长季节的蒸腾量可达10000 L。在植物的一生中，通常每积累1 g干物质，就要通过蒸腾作用消耗掉100 g的水。除此以外，如此大量的水有时还必须经过长距离的运输，才能到达叶片。有的植物高度可达近百米，那么促使大量水分长距离向上运输的动力是什么呢？植物生理学家经过长期的研究提出，至少有3种作用力促进了水在植物体内向上运输，它们是根部的压力(根压)、木质部的毛细管作用力和叶片的蒸腾拉力。其中，叶片的蒸腾拉力对水分向上运输的作用最大。

根系是植物的主要吸收水分的器官，大量的根毛具有巨大的吸收表面。植物根部细胞内溶液浓度通常比土壤溶液浓度高，由此土壤中的水分可以向根部细胞内渗透性扩散，正是这种渗透压力使土壤中的水分流入根部。当内皮层细胞膜消耗一定的能量将更多的离子主动运输到木质部，使木质部积累了比皮层细胞更高的离子浓度，于是，通过内皮层细胞上凯氏带所形成的通道，根部皮层的水分又径向流入木质部。水在根中向木质部的这种渗透性扩散产生的静水压力就是根压(root pressure)，它导致土壤中的水分源源不断地向根中的木质部输送，并形成了向上进入茎中木质部的作用力。由根压产生的水分的运输速度较慢，它是根部水分径向短距离运输的主要动力。

植物体内水分的运输还与水分子间由于氢键作用而产生的“粘着力”有关，正是这种“粘着力”使水在毛细管中形成内聚力和向上的吸附作用力(如下图)。在植物本质部的导管和管胞中，毛细管作用力和水的内聚力一方面促进了水的向上运输。另一方面，在强大的蒸腾作用拉力下，水的抗张强度足以避免木质部水柱在上升过程中被拉断。

　植物的根压和毛细管作用力促进了植物体中水分的运输，但远不足以形成大量水分长距离运输的动力。植物根系从土壤中吸收的水分很少的一部分被植物的代谢所利用，而绝大多数水分通过蒸腾作用散发到大气中。水分子具有从低浓度的溶液向高浓度溶液的运动的趋势，即从水分子数量大的地方向水分子数量非常少的地方流动的趋势，造成上述水分运动的潜在能量称为水势(water potential)。水势通常以符号Ψ来表示，以Pa为单位表示水势的大小。在任何含水系统中，水总是从水势高的区域向水势低的区域流动。由于叶片表面附近空气中的水分子数量远远低于叶片中水分子数量，即空气中的水势大大低于叶片中的水势，导致叶片中的水分向大气中蒸发。当水分子从叶肉细胞间空隙通过气孔向外运动后，叶肉细胞内的水分就向其间空隙蒸腾；水离开叶肉细胞又造成了叶肉细胞与叶脉中木质部的水势差增大，促进了水分从木质部进入叶肉细胞，蒸腾作用如此便产生了使水向上运动的巨大拉力，造成植物中的水分源源不断地从土壤向根的木质部、茎中的木质部、叶片、大气中依次运输。由于植物蒸腾作用散发的水分数量巨大，因此，叶片的蒸腾拉力对水分向上运输的作用最大。

气孔是叶片中的水分向大气中散失的门户，光合作用所需要的CO₂也由气孔进入到叶肉细胞中。气孔具有一套控制自身开关的调节机制，气孔开关的自我控制可以根据光照、空气湿度等环境条件的变化有效地调节叶片的蒸腾量，必要时减少植物体中水分的过分丧失。通常情况下，气孔白天张开，夜间关闭。因为白天光合作用需要由气孔吸收大量的CO₂，夜间气孔的关闭有利于减少蒸腾，节约用水。过强的光照和干旱也可导致气孔的关闭。

叶片上微小的气孔累积起来通常只占据叶片总表面积的1%，但它们的数量很大。气孔内叶肉细胞之间孔隙很大，形成较大的空间，称为孔下室。每一个气孔都由两个形态特殊可改变形状的保卫细胞(guard cell)所包围。这两个保卫细胞靠在一起，仅两端相连，靠近气孔内侧的细胞壁较厚，背离气孔外侧的壁较薄。当保卫细胞吸水膨胀时，它们就向壁较薄的外侧弯曲，气孔便张开，相反，当保卫细胞失水时，它们就收缩变直，于是其间的孔隙便关闭。研究表明，保卫细胞的吸水与失水和钾离子通过主动运输进出保卫细胞有关。当保卫细胞中的钾离子及其随同进入的氯离子浓度增加，细胞就吸水；相反便失水(如下图)。光照强度和环境中水分的多少等是控制钾离子主动运输的重要因素。

表皮细胞外表面往往有角质或蜡质，以防止植物体水分的蒸发。为了调节和控制气体及水分经过表皮出入叶片，表皮上分布着许多气孔。每一个气孔实际上是两个保卫细胞间可调节大小的孔隙。气孔是叶片中细胞与外界环境相互交换气体的通道。植物体通过气孔蒸发水分称为植物的蒸腾作用。大多数植物叶片下表皮气孔比上表皮多，上表皮气孔的减少有利于植物在强光照时减少水分的蒸腾，叶的这种形态特征再一次体现了植物在进化过程中对陆生生活的适应，体现了植物结构与功能的统一。

叶肉是含有许多叶绿体的薄壁组织。双子叶植物的叶肉通常分化成栅栏组织(palisade tissue)和海绵组织(spongy tissue)，栅栏组织位于上表皮之下，细胞为长柱形，含叶绿体较多；在栅栏组织与下表皮之间为海绵组织，其细胞形状和排列都不规则，细胞内叶绿体较少，细胞间隙较大。叶肉是植物光合作用的主要场所，叶肉细胞间隙与气孔相通，环境中的气体可经过气孔直接进入到叶肉细胞中。

叶脉是叶片中的维管束，叶脉直接与叶柄和茎中的维管束相连通，也有木质部和韧皮部。主脉的维管束发达，维管束外围被薄壁细胞构成的维管束鞘包围着。在叶片中，叶脉不断分支，分支末端叶脉很细，构造也趋于简单。分枝的叶脉将木质部和韧皮部带向叶片的光合组织细胞，使这些叶肉细胞通过叶脉的木质部获得水分和矿质营养，又通过叶脉的韧皮部将光合作用的产物--糖类和其他有机物输送到植物的其他各部分。叶片中的叶脉连同其周围的机械组织同时还具有对叶片基本组织(即叶肉)的机械支持作用。

　我们重点考查植物的形态结构时了解到，植物的形态结构特征与其生理功能密切相关，也是对环境适应性进化的结果。本节开始，我们讨论植物的某些生理代谢过程也同样可以发现，植物的生理代谢及功能与其形态结构具有紧密的联系。

●备课资料

14．晴天的上午，在一株盆栽植物上将一分枝的叶片套上一个透明的塑料袋，扎紧袋口，一段时间后，塑料袋内出现了一些小水珠，这是由植物体散发出来的__________凝结而成的，这主要是__________的结果。下午打开袋口，迅速伸一支将熄灭的火柴梗放进袋内，火柴复燃了，说明袋内的__________较丰富，这是__________的结果。傍晚再套上塑料袋，扎紧袋口，第二天天亮就打开袋口，迅速伸进一支点燃着的火柴，火柴熄灭了，说明袋内的__________较丰富，这是__________的结果。

答案：水蒸气　蒸腾作用　氧气　光合作用　二氧化碳　呼吸作用

●活动与探究

探究绿色植物的蒸腾作用。

目的：描述绿色植物的蒸腾作用。

器材：一株生长旺盛的盆栽植物、透明塑料袋、强绳子、纸和笔。

方法：(1)用透明塑料袋将植物罩起来，在茎部扎紧(如下图)。

　(2)将其移至阳光下15-20分钟后。

思考：(1)观察塑料袋袋壁上有什么现象出现。

(2)如果选择一株没有叶子的植物做同样的实验，会有什么结果？

(3)设计一个实验证明袋壁的水珠是植物蒸腾作用产生的。

●板书设计

绿色植物参与生物圈的水循环

13．由于长江上游森林遭到严重破坏，1998年2月长江上游来水比1997年同期减少15%。有人推测，如果上游森林破坏的趋势得不到根本控制，到21世纪中叶，长江将可能断流。你同意这一推论吗？列出你的理由。

答案：同意，因为植物具有涵养水源、保持水土、防风固沙的作用