植物水势及其影响因素的研究

学校： 徐州市第一中学

班级：2025级11班

组长： 杨益鸣

组员：万信宇 、邓凯博、王子诚、吴致远

学校：徐州市第一中学

时间：二〇二六年二月

1.课题背景

1.1项目简介

中科院微型实验室“科探方舟”是我省首批高品质示范中学 徐州市

第一中学 与 中国科学院 合作打造的品牌化科学教育项目。该项目

以集成化探究实验装置为载体，在专业导师指导下引导学生开

展“小课题研究”，着力提升学生的创新思维能力、实验探究能力

与科学素养。本课题正是依托“科探方舟”平台，聚焦生命科学领

域中植物生理的水分调节机制，开展系统而深入的研究。

1.2课题简介

水势是驱动植物体内水分定向迁移并决定其运输效率的核心物理参

量，被形象地称为植物水分代谢的"生命罗盘"——它如同精密仪表般

反映着植物与环境间的水分博弈状态。当遭遇干旱、盐胁迫等逆境

胁迫时，植物通过主动调控细胞溶质浓度实现水势的精准调节，这

种动态平衡机制保障了其从干旱土壤中持续汲取水分的关键能力。

本研究聚焦于环境因子对植物组织水势的调控机理，重点解析溶液

渗透势梯度与温度变化对马铃薯块茎及典型叶片组织水分状态的复

合影响。通过建立不同渗透势环境下的水分胁迫模型，系统监测植

物组织的吸/失水动态，揭示植物通过细胞渗透调节维持组织水势稳

态的生理策略。研究结果将为作物抗旱性遗传改良提供理论依据，

同时为建立基于植物水分生理响应的精准灌溉体系奠定科学基础，

对保障干旱半干旱地区农业水资源高效利用具有重要实践价值。2.实验过程

2.1实验计划

通过小组讨论，我们制定了三个进阶实验方案：

方案一：小液流法测定植物组织水势(基础实验)

该实验是模拟“科探方舟”中对种子吸胀能力研究的逻辑，通过观

察水分在浓度梯度下的渗透平衡，测定植物组织内部的压力状况。

一、实验原理

利用外界已知浓度的蔗糖溶液作为参照。当植物组织水势等于外界

溶液渗透势时，水分进出平衡；通过亚甲基蓝染色的液流沉浮来捕

捉这个“等渗点”。

二、实验步骤

• 溶液配制： 配制浓度分别为0.1M、0.2M、0.3M、0.4M、0.5M、

0.6M的蔗糖溶液。

• 取材加样： 使用打孔器获取6组直径一致的马铃薯块茎圆片

（每组5片），分别投入对应浓度的试管中。

• 平衡诱导： 密封静置30~45分钟，期间植物会根据水势差异吸

水或失水，改变溶液浓度。

• 液滴测试： 用镊子取出马铃薯片，向每管溶液中滴入极其微量的亚甲基蓝粉末（或浓缩液）。

• 沉浮判定： 从原管中取出一滴蓝色溶液，小心滴入对应浓度的原

始标准液试管中。

• 下沉： 表示原管溶液变浓（植物吸水），植物水势>溶液水势。

• 上升： 表示原管溶液变稀（植物失水），植物水势<溶液水势。

• 悬浮： 即为等渗点。

三、数据处理

四、利用公式计算水势：Ψs= -iCRT[注：其中R=0.0083，温度T

取热力学温度，下同]。

方案二：温度对植物组织水势变化速率的影响(进阶实验)

此方案参考了原研究中关于“温度影响种子萌发酶活性”的分析方

法，探究环境温度如何调节植物的水分动态平衡。

一、实验设计

• 自变量： 环境温度梯度。

• 因变量： 组织达到水势平衡所需的时间。

二、核心操作步骤

• 在不同温度环境下重复方案一的步骤。

• 分别在浸泡10、20、30、60分钟后进行液滴沉浮测试。

• 记录不同温度下，蓝色液滴从“快速移动”到“接近悬浮”所需

的时间跨度。

三、预期分析初步观察表明，在30–35

℃条件下，液滴达到近似悬浮状态所需

时间明显缩短，而40

℃条件下结果波动增大，推测高温可能破坏

细胞膜稳定性。

方案三：盐碱胁迫下植物的渗透调节策略(应用实验)

类似于原报告研究不同催芽剂对种子的调节作用，本实验观察植物

在逆境下的生存反应。

1一、实验设计

• 模拟环境： 使用不同浓度的NaCl溶液浸泡叶片，模拟土壤盐渍

化。

• 研究目标： 观察植物是否通过改变自身水势来适应高盐环境。

二、实验步骤

• 分组处理： 将同种植物的叶片分别置于0%、1%、2%、3%

的NaCl溶液中处理24小时。

• 水势测定： 处理结束后，利用“方案一”的小液流法测定各组叶

片的实际水势。

• 显微观察： 配合显微镜观察细胞质壁分离程度，辅助说明水势下

降的原因。

三、预期分析

随NaCl浓度升高，叶片组织水势呈下降趋势，同时显微镜下可观

察到细胞质壁分离程度加重，说明盐胁迫主要通过降低外界水势影

响植物吸水能力。四、生理意义分析

通过对比数据，可以分析植物是否具有“渗透调节”能力（即通过

积累溶质降低自身水势，从而在盐水中继续吸水）。

2.2异常情况分析

在预实验中，我们发现马铃薯切片的厚薄不一会导致实验误差。同

时，实验室的空气流动速度会影响水分蒸发，进而干扰等渗浓度的

判断。我们随后采取了加盖封口膜和统一标定切片规格的措施，以

确保数据的科学性。

3.课题报告：植物组织水势的测定及生理意义研究

3.0摘要

水势是评价植物水分状况的重要指标。本研究采用小液流法，通过

观察亚甲基蓝小液流在不同浓度蔗糖溶液中的升降情况，测定了马

铃薯组织的水势。实验结果表明，植物组织水势与外界溶液渗透势

存在动态平衡关系；当环境浓度超过一定阈值时，植物表现出明显

的失水特征。本研究为理解植物在不同水分环境下的生存策略提供

了实验依据。

3.1材料与方法

3.1.1实验材料：

新鲜马铃薯、蔗糖、亚甲基蓝、试管、移液管、刀片、软塞、镊子

3.1.2实验方法：一、配制0.1M到0.6M梯度浓度的蔗糖溶液。

二、将大小一致的马铃薯条放入试管浸泡30分钟。

三、利用亚甲基蓝染色后的对照溶液，通过观察蓝色液滴在待测管

中的沉浮，判定植物组织的等渗浓度。

四、根据公式Ψs= -iCRT计算水势。

3.1.3实验重复与误差控制

每一浓度梯度设置3次平行重复，取平均结果作为最终判断依据。

通过统一马铃薯切片直径与厚度、使用封口膜减少蒸发误差，以提

高实验结果的可靠性。

3.2结果与分析

3.2.1不同浓度蔗糖溶液对植物水分增减的影响

如下表所示，当外界浓度为0.3M时，液流基本不动，说明此时溶

液与组织处于等渗状态。

植物组织水势测定数据表

蔗糖浓度(M) |液滴沉浮情况|结论

0.1 |快速下沉|植物吸水

0.2 |下沉|植物吸水

0.3 |悬浮|等渗点

0.4 |上升|植物失水

0.5 |快速上升|植物失水3.3结论与讨论

实验表明，马铃薯组织在室温下的水势约为-0.74MPa。植物通过维

持较低的水势，能够保证在土壤水分减少时依然产生吸水动力。未

来我们将进一步研究不同肥料配方对根系水势的调节作用，以指导

智慧农业精准灌溉。

3.4研究不足与改进方向

尽管本研究围绕植物组织水势的测定与调控开展了较为系统的实验

设计，但仍存在一定的局限性，有待在后续研究中进一步完善。

首先，在测定方法方面，本研究采用的小液流法属于间接测定手段，

其结果依赖于液滴沉浮状态的主观判断，精度受操作经验和环境条

件影响较大。该方法在高中实验条件下具有操作简便、直观性强的

优点，但在区分植物水势中渗透势与压力势的贡献方面存在不足。

后续研究可在条件允许的情况下，引入压力室法或电子渗透计测定

法，对实验结果进行对照验证，以提高数据的准确性和可靠性。

其次，在实验材料选择上，本研究主要以马铃薯块茎及叶片组织作

为研究对象，其生理结构较为单一，代表性有限。不同植物器官及

不同物种在水分调节策略上可能存在显著差异。未来可进一步扩展

研究材料，如比较单子叶植物与双子叶植物、耐旱作物与喜水作物

之间水势变化规律的差异，以增强结论的普适性。再次，在环境因子控制方面，本研究主要关注溶液渗透势与温度对

植物水势的影响，而对光照强度、空气湿度及蒸腾速率等因素的协

同作用涉及较少。后续实验可通过构建多因子交互实验模型，系统

分析多种环境条件对植物水分动态平衡的综合影响，从而更接近自

然生境下植物的真实生理状态。

最后，在数据处理与结果表达方面，本研究以定性分析为主，定量

数据积累相对有限。未来可通过增加实验重复次数、引入图像分析

或质量变化测定等方法，对植物吸水与失水过程进行更精细的量化

描述，以提升研究的统计学意义和说服力。

参考文献

[1]武维华.植物生理学.科学出版社, 2018.

[2]蒋德安.植物组织水势测定的改进与应用.生物学通报, 2015.