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」。
中國時報 2008.05.13
自毒與毒他作用 造就參天神木
黃馨儀╱專題報導
四月中旬,有登山客在南部山區發現1棵直徑約7.1公尺的超大台灣紅檜,樹圍約22公尺,樹齡估計至少上千年,令山友驚豔不已。根據林務局資料顯示,目前國內最老的紅檜是2700歲,胸圍16公尺,樹高達36公尺,生長在阿里山森林遊樂區中。
至於最「壯碩」的神木出現在大雪山230林道中,樹高55公尺,胸圍足足有20.8公尺,皆為紀錄中的台灣紅檜之最。
台灣長壽樹種 紅檜為主
如果日前在屏東山區發現的神木經林務局證實樹圍達22公尺,那麼將會創15年來神木新紀錄。
神木如此巨大,它們是如何生成的?需要哪些先天與後天條件?
林務局保育組表示,神木的形成除了要有優越生育地條件,更須有獨特的家族遺傳因子。目前台灣已發現的神木,幾乎清一色為紅檜,只有少數是樟樹與扁柏等針葉林,雖然這些樹種長得很慢,卻擁有堅實完整的結構與強大適應力,才會在時間的考驗與生物競爭中存活下來,生成高聳參天又長壽的優勢木種。
釋放毒素 避免養分被搶走
此外,植物與所有物種一樣,彼此間有競爭又合作的關係,長得快又高的樹種會遮蔽日光,使得較矮小的樹木無法生長而被淘汰,讓自己得以生存。植物還具「自毒」與「毒他」作用,自毒作用是從根部釋放有機酸與植物鹼等毒素,毒死同種的後代,避免養分被搶走。
毒他作用則是針對「外人」釋放毒素,避免其他植物與自己搶奪生長空間與養分,讓自己更具優勢,例如竹林、鳳凰木和銀合歡等植物旁幾乎都沒有其他植物,就是毒他作用的結果。簡單來說,不論是自毒抑或毒他作用,都是植物用來「占地盤」的機制。
芬多精抑菌 是秘密武器
保育組成員說,由於神木幾乎都生長在較高海拔的山區,和其他針葉樹種相較,生長速度相對較快。據研究人員實地觀察也發現,檜木、扁柏等神木下方幾乎沒有其他植物生存,頂多以劍竹最多,而劍竹本身就是種會釋放劇毒的植物,可能也間接營造了對神木有利的生長環境。
不只如此,神木所釋放出對人體有益的芬多精與精油,其實也是牠們的「秘密武器」之一。當芬多精與精油釋放到空氣中時,不但可抑制細菌生長,刺鼻的氣味亦可防止生物與昆蟲接近,讓神木的生長避免遭受危害與干擾,也因為這些防衛機制與生存策略,讓神木得以高聳參天。
蒸散、光合作用 生長關鍵
除了先天基因優勢與生理條件,後天的生長環境與優越的生育地條件亦相當重要。由於植物不能移動、不能對自然現象做出立即應變,必須藉調節葉面氣孔的開闔,控制與大氣中二氧化碳、水汽、氧氣的交換,進行蒸散及光合作用,維持最佳生長狀態。而在不受氣候變化的干擾下,變成「頭好壯壯又長壽」的巨木。
而要成為「神木」,必定要能承受許多物種之間的競爭和外在環境的改變(乾旱、颱風等),才能存活至今。在通過環境的淬練與時間考驗下,如今民眾才有幸目睹它強韌的生命力與大自然鬼斧神工的奧祕。