Зависимость интенсивности испарения от площади поверхности листа

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 75/42

Зависимость интенсивности испарения

от площади поверхности листа

Нижний Тагил

2020

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Лист является важнейшим органом растений, и выполняет разные функции: фотосинтез – образование органических веществ из неорганических на свету, запасание веществ, газообмен, вегетативное размножение, испарение.

Транспирация спасает растение от перегрева, который ему грозит на прямом солнечном свете. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7°С быть ниже температуры листа завядающего, нетранспирирующего. Это особенно важно в связи с тем, что, перегрев, разрушая хлоропласты, резко снижает процесс фотосинтеза (оптимальная температура для процесса фотосинтеза около 30-33°С). Именно благодаря высокой транспирирующей способности многие растения хорошо переносят повышенную температуру. Большая поверхность листьев имеет огромное значение для питания растений и для испарения большого количества воды.

В данной работе мы рассматриваем только оду из функций – испарение воды листьями, что защищает растение от перегревания, удаляет избыток воды и ненужных веществ.

Выбранную тему исследовательской работы считаю актуальной, так как данные, полученные по результатам работы, можно использовать при ведении огорода, в садоводстве, в комнатном цветоводстве.

Все перечисленное выше и обусловило выбор и актуальность темы настоящей работы.

Цель: изучить зависимость площади листа и интенсивности испарения.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

Задачи:

Рассмотреть механизм процесса транспирации

Изучить строение листа и его функции

Определить зависимость скорости испарения от площади листа

Объект исследования: листья разной площади.

Предмет исследования: процесс испарения.

Гипотеза исследования: площадь листа влияет на скорость испарения.

ГЛАВА I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСПИРАЦИИ В РАСТЕНИЯХ

Характеристика процесса транспирации

В основе расходования воды растительным организмом лежит процесс испарения – переход воды из жидкого в парообразное состояние, происходящий при соприкосновении органов растения с ненасыщенной водой атмосферой. Однако этот процесс осложнен физиологическими и анатомическими особенностями растения, и его называют транспирацией [3].

Количество воды, испаряемой растением, во много раз превосходит объем содержащейся в нем воды. Экономный расход воды составляет одну из важнейших проблем сельскохозяйственной практики. К.А. Тимирязев назвал транспирацию в том объеме, в каком она идет, «необходимым физиологическим злом». Действительно, в обычно протекающих размерах транспирация не является необходимой. Так, если выращивать растения в условиях высокой и низкой влажности воздуха, то, естественно, в первом случае транспирация будет идти со значительно меньшей интенсивностью. Однако рост растений будет одинаков или даже лучше там, где влажность воздуха выше, а транспирация меньше. Вместе с тем транспирация в определенном объеме полезна растительному организму:

1. Транспирация спасает растение от перегрева, который ему грозит на прямом солнечном свете. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7°С быть ниже температуры листа завядающего, нетранспирирующего. Это особенно важно в связи с тем, что, перегрев, разрушая хлоропласты, резко снижает процесс фотосинтеза (оптимальная температура для процесса фотосинтеза 20-25°С). Именно благодаря высокой транспирирующей способности многие растения хорошо переносят повышенную температуру.

2. Транспирация создает непрерывный ток воды из корневой системы к листьям, который связывает все органы растения в единое целое.

3. С транспирационным током передвигаются растворимые минеральные и частично органические питательные вещества, при этом, чем интенсивнее транспирация, тем быстрее идет этот процесс [5].

1.2. Общая характеристика листа и его функции

Лист один из основных органов высших растений, занимающий боковое положение на стебле.

Лист наружный орган растения, основной функцией которого является фотосинтез. Для этой цели лист, как правило, имеет пластинчатую структуру, чтобы дать клеткам, содержащим специализированный пигмент хлорофилл в хлоропластах, получить доступ к солнечному свету. Лист также является органом дыхания, испарения и гуттации (выделения капель воды) растения. Листья могут задерживать на себе воду и питательные вещества, а у некоторых растений выполняют и другие функции [1].

Функции листа:

фотосинтез (от греч. фото - свет и синуйт - синтез, совмещение, помещение вместе) - процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений);

газообмен - основная форма диссимиляции у человека, животных, растений и многих микроорганизмов. При дыхании богатые химической энергией вещества, принадлежащие организму, окисляются до бедных энергией конечных продуктов (диоксида углерода и воды), используя для этого молекулярный кислород.У организмов, имеющих большие площади поверхности, контактирующие с внешней средой, дыхание может происходить за счёт диффузии газов непосредственно к клеткам через поры (например, в листьях растений, у полостных животных).

транспирация (от лат. trans и лат. spiro - дышу, выдыхаю) - это испарение воды растением. Вода испаряется с поверхности листьев через клеточные стенки эпидермальных клеток и покровные слои (кутикулярная транспирация) и через устьица (устьичная транспирация). В результате потери воды в ходе транспирации в клетках листьев возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из сосудов ксилемы и передвижению воды по ксилеме из корней в листья. Таким образом, верхний концевой двигатель, участвующий в транспорте воды вверх по растению, обусловлен транспирацией листьев.Транспирация спасает растение от перегрева. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7 С° быть ниже температуры нетранспирирующего завядшего листа. Кроме того, транспирация участвует в создании непрерывного тока воды с растворенными минеральными и органическими соединениями из корневой системы к надземным органам растения.

вегетативное размножение - образование новой особи из многоклеточной части тела родительской особи, один из способов бесполого размножения, свойственный многоклеточным организмам.У высших растений происходит либо как распадение материнской особи на две и более дочерние особи (например, при отмирании ползучих побегов или корневищ, отделении корневых отпрысков), либо как отделение от материнской особи зачатков дочерних (например, клубни, луковицы, выводковые почки).У некоторых растений могут укореняться отделившиеся от материнского растения побеги (у ивовых) или листья

защита растения (чешуи, колючки, прикрепление к опоре усиками);

запас питательных веществ и воды [6].

1.3. Лист как орган транспирации

Основным транспирирующим органом является лист. Средняя толщина листа составляет 100-200 мкм. Паренхимные клетки листа расположены рыхло, между ними имеется система межклетников, которые занимают от 15 до 25% объемалиста. Эпидермис – покровная ткань листа, состоит из компактно расположенных клеток, наружные стенки которых утолщены. Кроме того, листья большинства растений покрыты кутикулой. Кутикула варьирует как по составу, так и по толщине. Более развитой кутикулой характеризуются листья светолюбивых растений по сравнению с теневыносливыми и засухоустойчивых по сравнению с влаголюбивыми. Кутикула вместе с клетками эпидермиса образует как бы барьер на пути испарения паров воды. Удаление кутикулы во много раз повышает интенсивность испарения. Все эти особенности выработались в процессе эволюции как приспособление к сокращению испарения.

Для соприкосновения листа с атмосферой имеются поры – устьица. Устьице – это отверстие (щель), ограниченная двумя замыкающими клетками. Устьица встречаются у всех наземных органов растения, но больше всего у листьев. Каждая замыкающая клетка устьица в отличие от клеток эпидермиса имеет хлоропласта. В них происходит фотосинтез, хотя с меньшей интенсивностью, чем в клетках мезофилла. Устьица – одно из оригинальных приспособлений, обладающих способностью открываться и закрываться в зависимости от насыщенности замыкающих клеток водой. Обычно устьичные отверстия ограничены двумя замыкающими клетками, стенки которых неравномерно утолщены. У двудольных растений замыкающие клетки бобовидной, или полулунной, формы, при этом их внутренние прилегающие друг к другу клеточные стенки более толстые, а внешние – более тонкие. Протопласты замыкающих клеток связаны в единое целое перфорациями в основании граничащих общих стенок. Когда воды мало, замыкающие клетки плотно прилегают друг к другу и устьичная щель закрыта. Когда воды в замыкающих клетках много, то она давит на клеточные стенки, и более тонкие стенки растягиваются сильнее, а более толстые втягиваются внутрь, между замыкающими клетками появляется щель (рис. 1) [6].

Рисунок 1. Структура устьиц у двудольных растений

Основная часть воды испаряется через устьица. Процесс транспирации можно разделить на ряд этапов.

Первый этап – это переход воды из клеточных оболочек, где она находится в капельножидком состоянии, в межклетники (парообразное состояние). Это собственно процесс испарения, отрыв молекул воды с поверхности клеточных стенок. Важно подчеркнуть, что уже на этом этапе растение обладает способностью регулировать процесс транспирации (внеустьичная регулировка). Так, если в растении недостаток воды, то в сосудах корня и стебля создается сильное натяжение, которое делает их водный потенциал более отрицательным, что оказывает сопротивление передвижению воды в клетку и уменьшает интенсивность испарения. Надо учитывать также, что между всеми частями клетки существует водное равновесие. Чем меньше воды в клетке, тем выше становится концентрация клеточного сока. А это, в свою очередь, уменьшает содержание свободной воды в протопласте и клеточной оболочке. Соотношение свободной воды к связанной падает, водоудерживающая сила растет, интенсивность испарения уменьшается. Второй этап – это выход паров воды из межклетников или через кутикулу, или, главным образом, через устьичные щели. Поверхность всех клеточных стенок, соприкасающихся с межклетными пространствами, превышает поверхность листа примерно в 10-30 раз. Все же если устьица закрыты, то все это пространство быстро насыщается парами воды и переход воды из жидкого в парообразное состояние прекращается. Иная картина наблюдается при открытых усть­ицах. Как только часть паров воды выйдет из межклетников через устьичные щели, так сейчас же этот недостаток восполняется за счет испарения воды с поверхности клеток. Поскольку устьичная транспирация составляет 80-90% от всего испарения листа, то степень открытости устьиц является основным механизмом, регулирующим интенсивность транспирации. При открытых устьицах общая поверхность устьичных щелей составляет всего 1-2% от площади листа.

Английские ученые Г. Броун и Ф. Эскомб установили, что испарение из ряда мелких отверстий идет быстрее, чем из одного крупного той же площади. Это связано с явлением краевой диффузии. При диффузии из отверстий, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, молекулы воды, расположенные по краям, рассеиваются быстрее. Естественно, что таких краевых молекул значительно больше в ряде мелких отверстий по сравнению с одним крупным. Для малых отверстий интенсивность испарения пропорциональна их диаметру, а не площади (закон Й. Стефана). Указанная закономерность проявляется в том случае, если мелкие поры расположены достаточно далеко друг от друга. Структура листа удовлетворяет указанным требованиям. Поры (устьица) имеют малый диаметр и достаточно удалены друг от друга. При открытых устьицах выход паров воды идет достаточно интенсивно, закрытие устьиц резко тормозит испарение. Именно на этом этапе вступает в действие устьичная регулировка транспирации. При недостатке воды в листе устьица автоматически закрываются. Полное закрывание устьиц сокращает транспирацию на 90%. Вместе с тем уменьшение размеров устьиц всегда приводит к соответственному сокращению транспирационного процесса. Определения показали, что устьица должны закрыться больше чем на 1/2, чтобы это сказалось на уменьшении интенсивности транспирации.

Третий этап транспирации – это диффузия паров воды от поверхности листа в более далекие слои атмосферы. Этот этап регулируется лишь условиями внешней среды [2].

1.4. Влияние условий на процесс транспирации

Внешние условия не только регулируют степень открытости устьиц, но и оказывают влияние непосредственно на процесс транспирации. Зависимость интенсивности испарения от условий среды подчиняется уравнению Дальтона. Транспирация также подчиняется этой формуле, правда, с отклонениями. Чем больше дефицит влажности воздуха, тем ниже (более отрицателен) его водный потенциал и тем быстрее идет испарение. Это в целом справедливо и для транспирации. Однако надо учесть, что при недостатке воды в листе вступает в силу устьичная и внеустьичная регулировка, благодаря чему влияние внешних условий сказывается в смягченном виде и транспирация начинает возрастать медленнее, чем это следовало бы, исходя из формулы Дальтона. Несмотря на это, общая закономерность зависимости транспирации от насыщенности водой атмосферы остается справедливой. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем выше интенсивность транспирации. Следующим фактором среды, оказывающим влияние на процесс транспирации, является температура. Влияние температуры можно проследить также исходя из уравнения Дальтона. С повышением температуры значительно увеличивается количество паров воды, которое насыщает данное пространство. Возрастание упругости паров воды приводит к повышению дефицита влажности. В связи с этим с повышением температуры транспирация увеличивается.

Сильное влияние на транспирацию оказывает свет. Если влияние влажности атмосферы и температуры с большей силой сказывается на испарении со свободной водной поверхности, то свет сильнее влияет именно на транспирацию.

1. На свету, благодаря тому, что зеленые листья поглощают определенные участки солнечного спектра, повышается температура листа, и это вызывает усиление процесса транспирации. В связи с этим действие света на транспирацию проявляется тем сильнее, чем выше содержание хлорофилла. У зеленых растений даже рассеянный свет повышает транспирацию на 30-40%.

2. Под влиянием света устьица раскрываются.

3. Увеличивается проницаемость цитоплазмы для воды, что также, естественно, увеличивает скорость ее испарения. Все это в целом приводит к тому, что на свету транспирация идет во много раз интенсивнее, чем в темноте.

На интенсивность процесса транспирации оказывает влияние влажность почвы. С уменьшением влажности почвы транспирация уменьшается. Чем меньше воды в почве, тем меньше ее в растении. Уменьшение содержания воды в растительном организме автоматически снижает процесс транспирации в силу устьичной и внеустьичной регулировки.

Смена дня и ночи, изменение условий в течение суток наложили отпечаток и на процесс транспирации. Как устьичные движения, так и транспирация имеют свой определенный суточный ход. Английский исследователь Д. Лофтфельд разделил все растения в отношении суточного хода устьичных движений на три группы:

1. Растения, у которых ночью устьица всегда закрыты. Утром устьица открываются, и их дальнейшее поведение в течение дня зависит от условий среды. Мало воды – они закрываются, достаточно воды – открываются. К этой группе относятся в первую очередь хлебные злаки.

2. Растения, у которых ночное поведение устьиц зависит от дневного. Если днем устьица были закрыты, то ночью они открываются, если днем были открыты, то ночью закрываются. К этой группе принадлежат растения с тонкими листьями – люцерна, горох, клевер, свекла, подсолнечник.

3. Растения с более толстыми листьями, у которых ночью устьица всегда открыты, а днем, как и у всех остальных групп растений, открыты или закрыты в зависимости от условий (картофель, капуста) [4].

Интенсивность транспирации – это количество воды, испаряемой растением (в г) за единицу времени (ч) единицей поверхности листа (в дм2). Эта величина колеблется в пределах 0,15-1,47 г/дм2 x ч.

Транспирационный коэффициент – количество воды (в г), испаряемой растением при накоплении им 1 г сухого вещества. Транспирационные коэффициенты заметно колеблются у одного и того же растения в зависимости от условий среды. Все же в некоторой степени они могут служить показателем требований растений к влаге. Так, если транспирационный коэффициент пшеницы, в зависимости от условий, колеблется от 217 до 755 г Н20/г сухого вещества, то для проса эти величины значительно ниже и составляют 162-447. Значительно более экономное расходование воды растениями проса является одной из причин большой устойчивости этого растения к засухе. Особенно важно подчеркнуть, что транспирационный коэффициент резко падает на фоне достаточного снабжения питательными элементами. Так, по данным И.С. Шатилова, транспирационные коэффициенты на фоне удобрений снизились для озимой пшеницы с 417 до 241, для овса с 257 до 177. Эти данные хорошо подчеркивают значение удобрений как фактора, влияющего на более экономное расходование растениями воды.

Продуктивность транспирации – величина, обратная транспирационному коэффициенту, – это количество сухого вещества (в г), накопленного растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды. Относительная транспирация – отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же промежуток времени. Экономность транспирации – количество испаряемой воды (в мг) на единицу (1 кг) воды, содержащейся в растении. Тонколистные растения расходуют за час больше воды по сравнению с растениями с мясистыми листьями, которые испаряют 8-20% от общего количества содержащейся в них воды [5].

ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материал и методика

Работа выполнена в июне-июле 2020 года.

Было доказано, что испарение происходит через лист, вычислена площадь разных листов и проанализирована зависимость площади листа на скорость испарения.

Метод проведения эксперимента – наблюдение, измерение, эксперимент.

Этапы работы:

1. Доказываем, что испарение идет через лист:

2. Определяем площади листьев.

3. Рассматриваем влияние размера листа на скорость испарения.

2.2. Результаты исследования

2.2.1. Доказательство процесса испарения через лист

Докажем, что испарение идет именно через листья, а не с поверхности воды. Для этого в три стакана налили воду, во второй стакан добавили растительное масло. В третий положили черенок растения и также добавили растительное масло (рис. 2). Проводим повторное измерение объема воды через пять дней.

Рисунок 2. Стаканы с водой, водой с маслом и с листом и маслом

В первом стакане вода испарилась, во втором нет, так как помешало масло, в третьем вода испарилась (рис. 3). Таким образом мы видим, что лист испаряет воду.

Рисунок 3. Изменение объема воды после первого опыта

Таким образом мы видим, что лист испаряет воду.

2.2.2. Определение площади листа

Методика работы: для определения площади листа, листья кладем на бумагу, обводим контуры карандашом, по контурам рисуем прямоугольник, с помощью линейки измеряем длину сторон и вычисляем площадь листьев.

Рисунок 4. Первый этап определения площади листьев

Рисунок 5. Второй этап определения площади листьев

Рисунок 6. Третий этап определения площади листьев

2.2.3. Влияние размера листа на скорость испарения

Методика исследования:

Берем по пять листьев с трех растений разного размера:

маленькие листья

средние листья

крупные листья

и опустили в стакан с водой объёмом 150 мл.

Отмечаем уровень воды.

Чтобы исключить испарение с поверхности воды, заливаем растительное масло.

Делаем отметку о изменение объема каждые пять дней в течение двадцати дней и заносим данные в таблицу.

Измерили объем испарившейся воды по мерной колбе.

Рисунок 7. Изменение объема воды в стаканах с листьями маленького размера

Рисунок 8. Изменение объема воды в стаканах с листьями среднего размера

Рисунок 9. Изменение объема воды в стаканах с листьями большого размера

Полученные данные заносим в таблицу.

Таблица 1

Зависимость объёма испарившейся воды от площади листа

В результате анализа полученных данных, можно сказать, что зависимости испарения от площади поверхности листьев подтверждается: чем больше лист, тем интенсивнее испарение.

ВЫВОДЫ

Основным транспирирующим органом является лист. Основные функции листа – это фотосинтез, газообмен, транспирация, вегетативное размножение, защита растений, запас питательных веществ и воды

Транспирация обеспечивает сосущую силу, что увеличивает ток воды и минеральных веществ из корней к побегу, листьям, плодам и цветкам, также защищает от перегрева.

Интенсивность испарения зависит от площади поверхности листьев подтверждается: чем больше лист, тем интенсивнее испарение.

Результаты данной работы можно применить в агротехнике при занятии огородом, садоводством, когда надо регулировать объёмы полива растений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Горышена Т.К. Экология растений. – М.: Высшая школа, 2011. – 345с.

Жданов В.С. Испарение воды листьями. – М.: МГУ, 2006. – 450с.

Козловский П.К. Водный обмен растений. – М.: Колос, 2008. – 560с.

Красильникова Н.А. Жизнь растений. – М.: Просвещение, 2009. -347с.

Максимов Н.А. Водный режим растений. – М.: Советская энциклопедия, 1978 -670с.

Якушина Н.И. Физиология растений. – М.: Просвещение,2008 – 280с.