轉貼 - 神木生長機制 風洞實驗揭密

在日常生活中，若要由下往上運送水分，要透過幫浦運作產生壓力來幫忙，但植物卻不需要任何人工機械，即可順利迅速地將水分與養分由根部往樹梢的樹葉輸送。中央大學土木工程系教授朱佳仁表示，靠的就是流體的表面張力與蒸散所形成的負壓力，再加上木質部內「穠纖合度」的維管束的配合下，讓每株植物得以順利生長，展現強韌生命力。

神木樹圍動輒20公尺以上、高度更高，它們是如何輸送水分與養分，才能維持全樹所需？

朱佳仁以風洞實驗模擬自然環境，控制風速、日照量與土壤含水量，並利用「樹液探針」（Sap flow sensor）量測樹幹中的樹液流速與蒸散速率，發掘植物對外在環境的反應。

表面張力與負壓力 送水上樹頂

他說，樹木蒸散的水量極大，以一棵20公尺的樹木來說，隨著樹種與環境的差異，每日的蒸散水量就高達10到200公斤，即使是同1棵樹在1天之內，蒸散水量的也會因為日夜的變化而有極大的差異。

而大量的水分與養分在輸送時，在沒有幫浦運作下，竟可違反重力原則，由下往上源源不絕從根部直達頂端，甚至可超過100公尺高度。朱佳仁說，植物根部透過 滲透壓吸收土壤中的水分，再藉由表面張力與氣孔產生的負壓力，即可把水分經由樹幹向上傳輸至樹葉，再經由葉面的氣孔將水分蒸散，並吸收大氣中二氧化碳以進 行光合作用。

維管束僅0.25mm 降低摩擦力

除了表面張力與負壓力，中央大學物理系教授陳培亮解釋，植物內部的構造也有加分的效果，水分皆透過維管束運送，若樹木有100公尺高，以地面1大氣壓力來算，水分運送到葉面的高度至少就有10大氣壓，再加上石頭縫隙中的壓力，更可能高達80大氣壓，需要相當大的功率才能順利將水分與養分傳送上去。

經過數10萬年的演化，不論是擁有粗壯樹幹的巨木亦或瘦小的植栽，負責輸送水分的維管束都只有0.25mm。動輒數10公尺的神木以那麼細的「水管」送 水，怎麼做到的？陳培亮說，這就是演化的奧秘。神木往上輸送水分，需要非常大的力量對抗地心引力，但也因神木有粗壯的木質部與韌皮部，可容納成千上萬的維 管束，在「團結力量大」下，對抗大氣壓力與重力運送水分、養分並非難事。

風速影響樹液流速 夜間不得閒

此外，光合作用與蒸散作用是決定植物生長的關鍵機制，蒸散作用越強，樹木中水分與養分的流速越快。

朱佳仁的研究團隊發現，白天風速為零時，樹液流速約以每小時0.3公分的速度流動；當風速變為每秒2公尺，樹液流速些微上升至每小時1公分。當風速增加為每秒8公尺時，樹液流速上升至每小時3公分，之後風速的增加並不會增加樹液流速太多。

朱佳仁也發現，在沒有光線的狀況下，只要有風，樹液流速也會隨風速而增加，讓樹木在夜間亦不得「休息」。