百米大树，水分是如何被输送到树梢的？

学过中学物理学的人都知道，抽水机的原理是制造真空，然后通过大气压差将水送往高处的。因此水能够被抽到的最大高度，是一个大气压所能支持的水柱高度，即10m左右。所以如果人们希望将水抽到更高的高度，那么需要制造中间水池来进行“接力”抽水，或是通过管道给水加压，让水能够运输到更高的高度。

然而在自然界中，高度超过10米的树木比比皆是，世界上最高的树木桉树，高度甚至能超过百米。树木们看上去并没有“抽水机”，也没有强大的加压装置。那么，树木是如何将水分输送到几十甚至上百米的顶端呢？

根压：力不从心

在很久之前，对于水分垂直运输的动力就有若干个假说，其中之一是根压假说。所谓根压，就是由于植物根部主动转运矿质离子到根中心的维管束中，从而提高了根内的溶液浓度，更准确的说，是降低了根内部的水势。这样就建立了一个由土壤到维管束的水势梯度。根据渗透学说，水分会有主动进入溶液浓度较高（水势较低）根部的趋势，这一趋势就形成了根压。在砍断的植物截面上溢出的汁液，以及叶片吐水的水滴，都是根压存在的证据。因此在一段时间内，根压被视为水分垂直运输的动力。

然而，进一步的观测发现，对于高大的乔木而言，根压不足以将水分运输到植物顶端。这是因为根压产生的压力实在太小了。根压的主要来源是上面提到的水势差，但对于植物体来说，细胞液的浓度是具有上限的，因此水势的下降所产生的根压是有限度的。据测算，根压一般为0.1MP左右，换而言之，就相当于一个大气压，因此也仅能将水分推上约10m的高度。可以看出，根压不可能成为水分垂直运输的主要动力。

毛细现象：无能为力

除了根压，人们还寻找了其他可能的运输方式。我们知道，当在水中插入一根能被水浸润的管子，那么可以观察到管子内的水上升了，管子越细，水位上升的高度越高。这就是我们熟知的毛细作用。同时我们还知道，植物内部存在大量的细管状结构，即导管组织。导管组织是死亡的厚壁细胞，在被子植物中这些细胞彼此收尾相连并打通，就成为了运输水分的导管。那是否是导管的毛细作用使得水分被运输到植物顶端的呢？

事实上，毛细现象更不靠谱。

毛细作用中，水能升高的高度，取决于管的管径、水的表面张力以及和管壁的相互作用。相互作用越强，水上升的高度越大。从本质上来说，这是水表面张力的体现——由于水浸润管壁从而产生黏附力，使得和管壁接触的水上升，形成一个弯月面，而水有收缩表面积的趋势——因此就带动了液面的上升。当粘附力和重力平衡时，水面升到最大高度。

在毛细效应中，水面能上升的高度可以用公式H＝2σcosθ/rρg来计算，其中r为毛管半径，ρ为液体的密度，g为重力加速度，σ为液体的表面张力，θ为弯月面与毛管之间的夹角。因为植物导管内壁亲水，可以看做管内完全湿润，此时θ=0°，而常温下σ=72.8×10－7 N/m, ρ＝1，g=9.8 m/s，因此可以得到 H＝15×10-6/r。    

植物中，典型的导管半径r可以视作2.5微米，也就是2.5×10-6m，那么计算可知，水分依靠导管内毛细作用上升的高度仅为6m。可见，区区几米也不足以为高大树木提供足够的垂直运输动力。此外虽然通过细胞壁的质外体途径可以提供更小的管径（约10-8m），但阻力过大，也不能使得水上升很高。

蒸腾作用：强大的拉力

那么，究竟是什么提供了高大乔木所需的垂直运输动力呢？人们又将眼光投向了蒸腾作用。然而蒸腾又是如何将水分提高至几十甚至上百米高的高处呢？其中所需的近十个大气压的压力差又该如何产生呢？

原来，这还是由水的性质决定的。从上面我们已经知道，当水形成一个弯月面时，由于水有收缩表面积的趋势，这个就是表面张力。对于水来说，表面张力是十分巨大的（高达72.8×10-7 N/m），而弯月面的曲率半径越小，表面张力表现的越明显，恢复的趋势越强，从而使得液体内部形成了极高的负压。据测算，当曲率半径为0.5微米时，造成负压就可以达到0.3MP，而曲率半径减小到0.1微米时，负压更可达到惊人的15MP，也就是说，相当于150个大气压！