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

在植物水分生理研究中，植物水势可直接反映出植物水分亏缺程度、抗旱性强弱，因此它是公认的最常用的水分生理指标之一。目前，国内外关于植物水势，尤其是叶水势的研究主要集中在植物叶水势动态变化特征、植物水分生理与生态特征、Ｐ －Ｖ 测定技术、植物等水／非等水行为特征 ４ 个方面。而对植物水分生理、生态特征有一个更全面的认识，也为确定合理灌溉指标、人工林营造及生态系统保护等提供重要的理论依据。

学会测定不同植物的植物水势并探究不同因素对植物水势的影响体会科学实验方法及实验步骤，学会实验及科学探究的基本方法。

1.3实验意义

实验意义1：学会测定不同植物的植物水势并探究不同因素对植物水势的影响

实验意义2体会科学实验方法及实验步骤，学会实验及科学探究的基本方法

2.实验过程

2.1实验伊始

报道的那天，我拿到了实验箱，怀着激动的心情，迫不及待的打开了实验箱，没想到实验箱就像一个聚宝盆，配备了各种实验所需要的器材和催化剂，好多都是我之前没接触过的，各种各样的试剂，刻度精准的烧杯等为我们接下来的实验提供了充分的条件。

2.2实验步骤

   实验前的准备，我们首先对实验所需要了解的知识进行充分的学习，作为组长，通过微信和组员建立一个工作群，对话共同制定实验计划并且合理分配各自的工作。课题主要有三个步骤。

课题一：配制不同浓度的蔗糖溶液

课题二：研究不同植物叶片水势大小

课题三：探究同一植物叶片新叶与老叶水势差异

3.课题报告

探究小液流法测定不同植物叶片的水势大小

蔡誉源 倪海辰 陈奕彤 杨天昕

摘要：本文旨在通过小液流法测量并比较不同植物叶片的水势，以探讨植物种类对水势的影响及其背后的生理机制。实验选取了多种具有代表性的植物叶片，运用小液流法测量其水势，并分析各植物叶片水势的差异及其可能的原因。实验结果表明，小液流法是一种有效且可靠的测定植物叶片水势的方法，不同植物叶片的水势因其生理特性和生长环境的不同而有所差异。‌生物水势课题研究的意义在于揭示植物水分状况与需求，为农业生产提供灌溉参考，并在植物生理学中提供热力学分析工具，具有重要价值意义。

关键词：生物水势；小液流法；生理特性

一、 研究背景

植物作为地球上最重要的生物之一，在维持生物圈平衡、提供氧气、净化空气等方面发挥着不可替代的作用。而植物体内水分的平衡对植物的生长发育和生存至关重要。水势作为衡量植物体内水分状况的重要指标，反映了植物细胞内外水分压力的差异，对植物的生理代谢、生长发育和抗逆能力具有重要影响。因此，准确测定植物叶片的水势对于理解植物的水分调节机制、提高植物抗逆性能以及优化农业生产管理具有重要意义

水势，可以通俗地理解为水的流动趋势。液 态水总是自发地从高处流向低处，其原因在于高 处重力势能高，低处重力势能低。与此相似，水也 总是自发地从含溶质少的溶液中流向含溶质多的 溶液中，其原因在于前者的化学势能高于后者。 溶质分子或离子与水分子相互作用消耗了部分 化学势能，溶液的化学势能就是水势。因此溶液 浓度越低，水势越高，反之亦然，纯水的水势最高。 植物水势指在等温等压下组织内含水与纯水之间 的化学势差，是植物吸水能力的反映，组织水势越 低，吸水能力越强，植物根系因此能够从土壤溶液 中吸水，枝叶可以从根部拉升水以补偿蒸腾消耗。 从吸水、拉升水的角度看，植物水势也可以理解为 负压。植物细胞通过中央大液泡调节水势吸水膨 胀，对细胞壁产生膨压，细胞壁则通过弹性张力平 衡膨压，两者互相作用维持细胞膨胀状态，从而维 持幼嫩枝叶挺拔伸展不萎蔫 。因此，水势测定 是研究植物水分生理和抗旱能力的重要手段。植物水势是植物细胞中水分的势能，是细胞内外水分传递和营养运输的驱动力之一。它直接影响着植物的水分吸收、运输和利用效率，进而影响植物的生长发育和生理代谢过程。在干旱、盐害等逆境条件下，植物的水势变化尤为显著，成为植物适应环境的重要生理响应之一。

测定植物水势的方法目前，测定植物水势的方法多种多样，包括压力室法、小液流法、热电偶法、露点法等。其中，小液流法因其操作简便、结果直观且成本较低而被广泛应用于植物生理学研究中。小液流法通过观察植物组织在不同浓度蔗糖溶液中的液流情况来推断植物水势，具有较高的准确性和可靠性。

本研究旨在通过小液流法测定不同植物叶片的水势，探讨植物种类对水势的影响及其背后的生理机制。通过比较分析不同植物叶片的水势差异，可以深入了解植物的水分调节机制及其对环境变化的响应策略。同时，本研究还将为优化农业生产管理、提高植物抗逆性能提供科学依据和技术支持。

二、实验材料

1、实验植物叶片：绿萝叶片、桂树叶片、枇杷叶、怪柳叶（小区中植物）

2、实验仪器：离心管、试管架、胶头滴管、搅拌棒、移液管、容量瓶、打孔器、橡胶手套（试验箱配备仪器）电子天平（凯丰电子）

3、试剂：蔗糖、蒸馏水、亚甲基蓝（试验箱配备试剂）

三、研究过程

1、蔗糖溶液的配备

取 34.2g蔗糖，以蒸馏水定容于100mL的容量瓶中，配制成1mol/L的蔗糖溶液，存放于 150mL试剂瓶中标记备用。

具体步骤如下:

a.取 34.2g 的蔗糖于100mL烧杯中，加入80-90mL蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌至蔗糖完全溶于蒸馏水中;

b.通过玻璃棒将烧杯内的蔗糖溶液引流到容量瓶中，再用少量蒸馏水(10-20mL，根据上述a步骤,首次添加蒸馏水的量而定，总量小于100mL)冲洗烧杯和玻璃棒，最后通过玻璃棒引流到容量瓶中;

c.当容量瓶内溶液加至距刻度线1-2cm时停止引流，改用滴管小心滴加，直到溶液凹液面底部与刻

度线相切为止(视线与凹液面最低处相平);

d.盖上瓶塞,用掌心顶住瓶塞，另一只手的手指托住瓶底，将容量瓶倒转振荡数次，使溶液混合均匀;

e.将配好的蔗糖溶液倒入干净的150mL试剂瓶中备用，即得100mL 1mol/L蔗糖母

（2)配制不同浓度的蔗糖溶液

a.准备干净离心管，进行编号A1-A5;按照下表1-1，利用移液管分别量取不同体积的蔗糖母液和蒸

馏水(注意:只有一根移液管的话，先取蒸馏水分别放入对应的离心管中，再分别取蔗糖母液，保证相互不会干扰影响其浓度)，混合均匀;

b.计算所配蔗糖溶液的浓度，结果记录于表1-1中。

注意事项:

a.配溶液时，不要用手掌握住容量瓶瓶身，以免体温使液体膨胀，影响容积的准确(对于容积小于100mL 的容量瓶，不必托住瓶底)。

b.确定最终加水量时，保持视线、凹液面的最低端和刻度线相平。

c.配好的溶液需及时转移到试剂瓶中存放，并及时清洗容量瓶。

2、探究不同植物叶片水势大小

Os=一P P=iCRT 式中，P值为溶液的渗透压，其负值就是溶液的溶质 势，也是所测植物的水势；C为质量摩尔浓度。

实验目的:探究不同植物叶片水势大小

自变量:不同植物

因变量:叶片水势大小

实验步骤

（1)植物叶片准备:

a.取5支10mL离心管,编号B1-B5;

b.采集数片植物叶子(根据实验所需叶圆片数来定);

c.用打孔器在所选叶片的不同部位打出100个叶圆片(打孔要迅速，防止叶片水分蒸发;注意避开叶片的主脉)，混匀取自植物不同部位的小圆片，在每个离心管中放入20片(选边缘整齐无破损的叶片);

（2)叶片放入不同浓度蔗糖溶液中:

取用课题一中所配制的蔗糖溶液各2mL，对应加入B1-B5的离心管中(从A1取的溶液加入B1中,A2对应B2，以此类推)，放置20-30min，期间摇动数次，以加速水分平衡;

（3)染色:

用药匙末端沾微量亚甲基蓝粉末(约0.1g)稍稍放入有叶片的离心管中，摇匀，溶液变蓝(加入的亚甲基蓝粉末量一定要少，使各瓶中颜色基本一致);

（4)观察液滴的瞬间流向:

用滴管各取B1-B5离心管有色液，插入相应离心管(A1-A5)中部，缓慢从滴管尖端横向放出一滴蓝色溶液，观察液滴瞬间流向，轻轻取出滴管，记录液滴移动方向于表1-1中(用白纸划一直线置于离心管背面，方便观察);

（5)计算叶片水势:

根据不同浓度蔗糖溶液中有色液滴的瞬间流向，找出与叶片水势相当的浓度，根据原理公式计算出该植物叶片组织的水势;

a.若在给定蔗糖浓度范围内，随着蔗糖浓度的升高，液滴出亚甲基蓝现由下沉到停止不动到上浮的现象，则记录液滴停止不动时的浓度，根据ψS=-iCRT计算叶片水势;

b.若液滴在给定蔗糖溶液浓度范围内全部上浮，表明叶片的水势高于外界溶液的水势，需要配更低浓度的蔗糖溶液，即重新配低于最低浓度的蔗糖溶液浓度梯度，根据步骤1)-5)进行实验并计算植物组织的水势;

c.若液滴在给定蔗糖溶液浓度范围内全部下沉，表明叶片的水势低于外界溶液的水势，需要配更高浓度的蔗糖溶液，即重新配高于最高浓度的蔗糖溶液浓度梯度，根据步骤1)-5)进行实验并计算植物组织的水势。

注意事项:

a.甲烯蓝不宜加得过多(溶液呈稍深的蓝色即可)，否则将使实验组各管中溶液的比重均加大。

b.蔗糖溶液用前一定要摇匀，时间放久了的蔗糖溶液会分层，影响结果。

c.释放蓝色液滴时要缓慢，防止过急挤压冲力影响液滴移动。

3、不同植物新老叶片水势

四、结果与分析

影响植物的水势因素有：

1.在环境和新老程度相同的情况下，不同植物的叶片种类

2.在同一环境的同一植物中，叶片的新老程度3.在同一植物同一新老程度的情况下，叶片的生长情况（例如土壤中无机盐的浓度和干旱程度等）

4.在其他条件相同的情况下，不同的气候因子以及等水变水行为特征

在自然环境中，植物会面临许多不同的生长逆境，如水分胁迫、盐胁迫、氮胁迫等。在全球气候暖化的大背景下，干旱是植物最常遇见的一种生长逆境，研究的焦点也多集中于此。 当植物面临水分胁迫威胁时，就需要植物降低自身的水势来从土壤中吸取更多的水分，植物对水分胁迫的响应方式各异，水势降低幅度和速率也不同。然而，即使在不同的研究区域，不同植物叶水势的日动态都呈现相似的规律:基本格局为白天低夜间高，清晨(6:00时) 达到最高值，最低值出现在13:00~14:00时。由于夜间植物气孔关闭，蒸腾作用基本停止，植物可通过根系吸水使叶水势和土壤水势达到平衡。自然条件下，植物的水分状况是由土壤水势和大气水势共同决定的，除了土壤湿度外，气温、光照、相对温湿度等气象因子对植物水势也有影响。

此外，植物的水势还受到其他因子的影响，例如，土壤含水量、立地条件、阳光辐射等。同时，也同植物自身因素，如叶面积、根系的分布,蒸腾速率、 光合速率,气孔调节等等关系密切。此外，植物水势还与细胞膨压、渗透势、全溶质摩尔数等水分生理参数有关，可通过P-V曲线来求得。因此，植物水势和P-V曲线水分参数关系密切。通常情况下，等水植物中午水势的变化幅度，或者处理组叶水势与对照组叶水势的差值低于1.0MPa,变水植物则大于1.0MPa,可以达到3.0~4.0MPa,有些物种，如石南属(Erica)植物甚至可以达到9.0 -10.0 MPa 。目前，多数研究的焦点都集中于水势及其影响因子间相关程度、回归关系方面，还没有系统的理论体系来解释植物内部的机理关系。

五、结论

小液流法是一种有效且可靠的测定植物叶片水势的方法。通过本实验，我们成功测定了多种植物叶片的水势，并分析了其差异及其可能的原因。实验结果表明，不同植物叶片的水势因其生理特性和生长环境的而有所差异。这一发现对于深入理解植物的水分调节机制及其对环境变化的响应具有重要意义。

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