从土壤到天空：研究人员量化了植物在全球范围内提升水的能量

近日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会，绿会）国际部从国际知名期刊获悉，从土壤到天空：研究人员量化了植物在全球范围内提升水的能量。绿会国际部现将该文整理编译如下，供感兴趣的读者参考和了解。

（图片描述：科罗拉多州西南部，一片摇曳的白杨树将水抽到了它们的树冠上。图源：Leander Anderegg）

每天，大约有1万亿加仑的水被默默地从地面抽到树梢。地球上的植物仅利用阳光就完成了这一惊人的壮举。提升所有这些液体需要能量，但到底需要多少能量，直到今年还是一个悬而未决的问题。

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员现在已经计算出植物通过木质部将水分从土壤输送到叶片所需的巨大能量。他们发现，平均而言，这是植物通过光合作用获得的额外14%的能量。在全球范围内，这相当于人类所有水电的产量。他们的研究发表在《地球物理研究杂志：生物地球科学》上，这是第一次估算将水提升到植物冠层所需的能量，无论是对单个植物还是全世界。

第一作者格雷戈里·奎廷（Gregory Quetin）是地理系的博士后研究员，他说：“通过树木的木质部向上移动水需要能量。我们正在量化这是多少能量。这种能量是植物通过光合作用产生的。正是通过树木的结构，被动地从环境中获取能量。”

光合作用需要二氧化碳、光和水。二氧化碳在空气中广泛存在，但其他两种成分构成了挑战：光来自上方，水来自下方。因此，植物需要把水带到光线所在的地方（有时相当远）。

更复杂的植物通过维管系统实现这一点，在维管系统中，称为木质部的管将水分从根部输送到叶片，而称为韧皮部的其他管将叶片中产生的糖向下输送到植物的其他部分。“维管植物进化木质部是树木得以生存的一个巨大因素。”奎廷说。

许多动物也有血管系统。我们进化了一个封闭的循环系统，心脏通过动脉、毛细血管和静脉泵送血液，将氧气和营养物质输送到身体周围。研究报告的合著者、地理系助理教授安娜·特鲁格曼（Anna Trugman）说：“这是许多生物为之付出很多代价的一种功能。我们为此付出代价，因为我们必须保持心脏跳动，这可能是我们代谢能量的一部分。”

植物也可能进化成心脏。但它们没有。这为它们节省了大量的代谢能量。

与动物相比，植物循环系统是开放的，被动供电。阳光使水分蒸发，水分从树叶的毛孔中逸出。这产生了一个负压，将其下方的水拉起。科学家称这个过程为“蒸腾作用”。

实质上，蒸腾作用只是植物从阳光中获取能量的另一种方式。只是，与光合作用不同，这种能量在投入使用之前不需要处理。

科学家们对这一过程相当了解，但从来没有人估计过它消耗了多少能量。“我只在一篇论文中看到它被特别提到作为能量。”合著者利安德·安德雷格（Leander Anderegg）说，“这是一个非常大的数字。如果植物必须用它们的新陈代谢来支付，它们就不会工作了。”

这项特殊的研究源于基本的好奇心。安德雷格回忆道：“当我和格雷格（奎廷）都是研究生时，我们读了很多关于植物蒸腾作用的书。在某个时候，植物在克服重力提升水的过程中做了多少工作？”他现在是生态学、进化和海洋生物学系的助理教授

格雷格说：“我说，我不知道。我想知道是否有人知道？我们当然也可以计算。”

大约十年后，他们绕了回来，就这样做了。该团队将植物电导的全球数据库与sap上升的数学模型相结合，以估计世界植物生命用于抽水的功率。他们发现，地球的森林每年消耗大约9.4皮瓦时。他们很快指出，这与全球水力发电量相当。

这大约是植物通过光合作用吸收能量的14.2%。因此，这是一个重要的能源，植物从中受益，但不需要积极处理。这种自由能量传递给了消耗植物的动物和真菌，以及消耗它们的动物，等等。

令人惊讶的是，研究人员发现，对抗重力只占总数的一小部分。大部分能量用于简单地克服植物自身茎的阻力。

这些发现可能没有很多直接的应用，但它们帮助我们更好地了解地球上的生命。“事实上，有一个我们没有量化的全球能量流，这有点不和谐，”奎廷说。“这似乎是一个从裂缝中溜走的概念。

蒸腾作用所涉及的能量似乎介于不同科学家研究的尺度之间。对于植物生理学家来说，它太大了，而对于研究地球系统的科学家来说，它又太小了。作者解释说，只有在过去十年里，科学家们才收集了足够的水分利用和木质部阻力数据，开始在全球范围内解决蒸腾能量问题。

在这段时间内，科学家们已经能够利用新的观测和模型来完善地球系统中蒸腾作用的重要性。它影响温度、气流和降雨量，并有助于塑造一个地区的生态和生物多样性。Sap上升功率是蒸腾作用的一小部分，但作者怀疑，考虑到所涉及的大量能量，它可能是值得注意的。

现在还处于早期阶段，团队承认，在收紧估计方面还有很多工作要做。植物的茎对水流的传导能力差异很大。例如，将耐寒的沙漠杜松与河边的白杨木进行比较。安德雷格说：“一棵非常适应干旱的杜松树具有非常高的抵抗力，而棉白杨只是靠抽水来生存。”

这一不确定性反映在作者的估计中，估计值介于每年7.4到15.4千兆瓦时之间。也就是说，这可能高达每年140皮瓦时，尽管奎廷承认这一上限不太可能。“我认为这种不确定性突出表明，我们对植物抗性的生物地理学（以及在较小程度上的蒸腾作用）仍有很多不了解，”他说。“这是在这些领域继续研究的良好动机。”

原文参看：https://phys.org/news/2022-09-soil-sky-quantify-amount-energy.html

编译：Daisy
审核：Nicole

编辑：Pierre