1.课题背景

1.1中科院微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”(课题研究项目),是徐州一中与中科院合作，中科院京区科 协牵头设计的品牌科学产品。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专 业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”,帮助同学们涵养科学精神、提高 科学素养。

“科探方舟”是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等，都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主 学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新 意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

水是细胞的重要组成成分。

植物组织含水量占鲜重的75%-90%胞中的水分可分为自由水和结合水两类者比值与植物代谢强度和抗逆性有密切关系。

植物水势是植物生理学中一个关键的概念，它反映了植物体内水分的能量状态，对于理解植物的水分吸收、运输、利用以及对环境的适应等方面具有极其重要的意义。水势的高低直接影响着植物细胞的水分进出，进而影响植物的生长、发育、代谢以及抗逆性等生理过程。

深入研究植物水势不仅有助于揭示植物的水分生理机制，还能为农业生产、生态环境保护等领域提供理论支持和实践指导。本研究报告旨在综合阐述植物水势的相关理论、测定方法以及其在不同环境条件下的变化规律，并结合详细的数据进行分析和探讨。

1.3植物水势的基本概念

植物水势是指在等温等压条件下，植物细胞中的水与纯水之间每偏摩尔体积的化学势差。通俗地说，就是植物细胞内水分的潜在能量水平。

水总是从水势高的区域向水势低的区域流动，就像电流从电位高的地方流向电位低的地方一样。植物水势通常用符号 Ψ 表示，单位为兆帕（MPa）或巴（bar）。 植物水势

由多个组分组成，包括溶质势（Ψs）、压力势（Ψp）、重力势（Ψg）和衬质势（Ψm）。

其中，溶质势是由于细胞内溶质颗粒的存在而降低的水势部分；压力势是由于细胞壁对细胞内容物的压力而产生的水势变化；重力势是由于植物高度的存在而引起的水势变化，在大多数情况下，重力势相对较小，可以忽略不计。

2.实验过程

2.1植物水势的测定方法

1.小液流法是一种常用的测定植物水势的方法。其原理是基于植物细胞与外界溶液之间的水分交换会导致溶液浓度的变化，从而引起溶液比重的改变。当植物水势高于溶液水势时，植物细胞失水，使溶液浓度降低，比重减小，小液流上浮；当植物水势低于溶液水势时，植物细胞吸水，使溶液浓度升高，比重大，小液流下沉；当植物水势与溶液水势相等时，溶液浓度和比重不变，小液流不动。

2.材料与设备：

电子秤离心管 烧杯 玻璃棒 胶头滴管、亚甲基蓝、镊子、打孔器、叶片

3.实验步骤：

• 植物叶片准备(以银杏叶片为实例展示)

• 叶片放入不同浓度蔗糖溶液中

• 染色((试剂为亚甲基蓝)

• 观察液滴的瞬间流向

• 计算叶片水势

4. 实验过程：

   在对实验所需知识进行学习后，我们组员一起制定了实验过程的计划。

我们通过观察小液流的移动方向和程度，可以确定与植物水势相等的溶液浓度，进而计算出植物水势的值。具体操作步骤如下：

（1）配制一系列不同浓度的蔗糖溶液，0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L 、0.4mol/L 、0.5mol/L 等

（2）取新鲜的植物组织，如叶片或茎段，用打孔器打出小圆孔。

（3）将植物组织放入不同浓度的蔗糖溶液中，放置一段时间，让植物组织与溶液充分进行水分交换。

（4）向每个蔗糖溶液中加入少量的甲烯蓝粉末，使其染色。

（5）用胶头吸管吸取染色后的蔗糖溶液，小心地滴入到对应的原蔗糖溶液中，观察小液流的移动方向和程度。

（6）根据小液流的移动情况，确定与植物组织水势相等的蔗糖溶液浓度，然后通过公式计算植物水势。

我们组员一起合作，相互配合，每个人都贡献出自己的数据成果。

在实验中，我用小液流法测定植物叶片的水势，得到如下数据：

由此可判断植物叶片的水势与 0.3mol/L 的蔗糖溶液水势相等，假设在该温度下蔗糖溶液的渗透势为 -0.7MPa，则植物叶片的水势也为 -0.7MPa。

3. 课题报告

不同水势对植物的影响研究

王梓滕

摘要：植物水势是衡量植物体内水分状态和能量水平的关键指标，反映了水分在土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的运动方向与驱动力。研究植物水势具有重要的理论和实践意义：在理论上，它揭示了植物水分吸收、运输及蒸腾的生理机制，深化了对植物水分关系的理解；在实践上，它为农业灌溉管理、抗旱品种筛选、作物产量与品质优化提供了科学依据。此外，植物水势的研究有助于评估植物对环境胁迫（如干旱、盐碱、高温）的响应，为生态恢复和全球气候变化背景下的植被适应性研究提供支持。本研究报告旨在综合阐述植物水势的相关理论、测定方法以及其在不同环境条件下的变化规律，并结合详细的数据进行分析和探讨。

引言：

水分是植物生长发育的基础，直接影响植物的生理代谢、生态适应性和生产力。在土壤-植物-大气连续体（SPAC）中，水分的运动始终遵循从高水势区域向低水势区域流动的规律。植物水势作为衡量植物体内水分能量状态的关键指标，不仅反映了植物的水分状况，还决定了水分的吸收、运输和分配过程。因此，研究植物水势对于理解植物的水分生理机制、优化农业灌溉管理、提高作物抗逆性以及应对全球气候变化具有重要意义。

随着全球水资源短缺和气候变化的加剧，植物如何高效利用水分、适应环境胁迫成为科学研究的热点问题。植物水势的研究为揭示植物与环境之间的水分关系提供了重要工具，同时也为农业生产的可持续发展和生态系统的保护提供了理论支持。

一、植物水势的影响因素

（一）植物种类和品种

不同植物种类和品种的水势存在显著差异。例如，沙漠植物通常具有较低的水势，以适应干旱的环境；而水生植物的水势相对较高，有利于从水中吸收水分。

此外，同一植物的不同品种在水势方面也可能有所不同，这与它们的遗传特性和适应环境的能力有关。

（二）环境因素

1. 土壤水分状况

土壤水分含量直接影响植物根系对水分的吸收，从而影响植物的水势。当土壤水分充足时，植物根系能够容易地吸收水分，植物水势较高；反之，在干旱条件下，土壤水分缺乏，植物根系吸水困难，水势降低。

2. 温度

温度对植物水势也有重要影响。一般来说，温度升高会使植物细胞内的水分蒸发加快，导致细胞内的溶质浓度增加，从而使水势降低。此外，温度还会影响细胞膜的透性和水分运输的速率。

3. 光照

光照强度和光照时间会影响植物的光合作用和蒸腾作用，进而影响植物水势。在光照充足的条件下，植物的光合作用增强，会消耗大量的水分，导致水势下降；同时，光照也会促进蒸腾作用，使植物散失更多的水分，进一步降低水势。

（三）生理状态

1. 叶片年龄

植物叶片的年龄不同，其水势也会有所变化。一般来说，幼嫩叶片的水势较高，随着叶片的生长和衰老，水势逐渐降低。这是因为幼嫩叶片的细胞代谢活跃，水分吸收和运输能力较强；而衰老叶片的细胞功能逐渐衰退，水分运输能力下降。

2. 气孔开闭

气孔是植物叶片表面与外界进行气体交换的通道，同时也影响着植物的蒸腾作用和水分状况。当气孔开放时，植物通过蒸腾作用散失大量水分，水势下降；当气孔关闭时，蒸腾作用减弱，水分散失减少，水势相对升高。

二、植物水势在不同环境条件下的变化规律

（一）干旱环境

在干旱条件下，植物为了减少水分散失，会采取一系列适应性措施，导致水势降低。例如，植物会关闭气孔，减少蒸腾作用；同时，细胞内的溶质浓度增加，以提高细胞的保水能力。此外，一些植物还会通过根系的深扎和扩展来获取更多的水分，从而维持一定的水势水平。

（二）水淹环境

在水淹条件下，植物根系处于缺氧环境中，呼吸作用受到抑制，能量供应不足，导致水分吸收和运输能力下降，水势降低。此外，水淹还会使土壤中的氧气含量减少，影响植物根系的正常生长和功能，进一步加重植物的水分胁迫。

（三）盐胁迫环境

盐胁迫会对植物造成渗透胁迫和离子毒害，影响植物的水分吸收和运输，导致水势降低。植物为了适应盐胁迫环境，会通过积累一些有机溶质如脯氨酸、甜菜碱等，来调节细胞内的渗透势，从而维持一定的水势水平。

三、植物水势与其他生理过程的关系

（一）光合作用

植物水势与光合作用密切相关。适宜的水势水平是保证光合作用正常进行的必要条件。当水势过高或过低时，都会影响植物的光合作用效率。

水势过高会使植物细胞内水分过多，导致细胞膨胀，影响叶绿体的结构和功能，从而降低光合作用效率；水势过低则会使植物细胞失水，引起气孔关闭，减少二氧化碳的供应，同时也会影响光合酶的活性，进而抑制光合作用。

（二）蒸腾作用

蒸腾作用是植物散失水分的主要方式，而植物水势直接影响着蒸腾作用的速率。水势越低，蒸腾作用越强；水势越高，蒸腾作用越弱。这是因为水势低时，植物细胞内的水分向外扩散的动力较大，水分容易通过蒸腾作用散失到外界环境中。

（三）生长发育

植物的生长发育过程需要充足的水分供应，而水势是反映植物水分状况的重要指标。在适宜的水势范围内，植物能够正常生长发育；当水势过低或过高时，都会对植物的生长发育产生不利影响。

例如，水势过低会导致植物细胞失水，影响细胞分裂和伸长，使植物生长缓慢甚至停滞；水势过高则可能引起根系缺氧，影响根系的正常生长和功能，进而影响植物对水分和养分的吸收，阻碍植物的生长发育。

四、结论

植物水势是植物生理学中一个重要的概念，它反映了植物体内水分的能量状态，对于理解植物的水分生理机制和适应环境的能力具有关键意义。

通过不同的测定方法，可以准确地测量植物的水势，并了解其在不同环境条件下的变化规律。

通过以上数据可以明确看到植物水势受到植物种类和品种、环境因素以及生理状态等多种因素的影响。在不同的环境条件下，植物会通过调节自身的水势来适应环境的变化，如在干旱、水淹和盐胁迫等环境中，植物会采取相应的适应性措施来维持一定的水势水平。

此外，植物水势与光合作用、蒸腾作用和生长发育等生理过程密切相关，适宜的水势水平是保证植物正常生理功能的必要条件。未来的研究可以进一步深入探讨植物水势的调控机制，以及如何通过调节植物水势来提高植物的抗逆性和适应性，为农业生产和生态环境保护提供更加有效的理论支持和技术指导。