Tré – Vatnsflutningar

Grein/Linkur:  Ráðgátan um vatnsflutninga

Höfundur: Sigurður Arnarson

Heimild: 

.

.

Mars 2023

Ráðgátan um vatnsflutninga

Hæstu tré á Íslandi eru um 30 metrar á hæð. Þau eiga það sameiginlegt, með öðrum trjám í heiminum, að ræturnar taka upp vatn sem síðan fer um allt tréð og gufar upp út um laufblöðin.

Öll þurfa þessi fjölbreyttu austurrísku tré að dæla vatni úr jörðu og upp í krónurnar. Verkefnið getur verið mismunandi erfitt eftir staðsetningu, hita, gerð trjáa og jarðvegs og aðgengi að vatni. Mynd: Sig.A.

Talið er að fyrstu landplönturnar hafi orðið til fyrir um 400 milljónum ára. Fyrir um 375 milljónum ára voru komnar landplöntur sem gátu náð að minnsta kosti 30 metra hæð. Það hefðu þær ekki gert nema með því að hafa leyst vandamálið um vatnsflutninga (Waßmer og Maelicke). Í heiminum eru til tré sem fara létt með þetta þó þau séu meira en 100 metrar á hæð. Ekki nóg með það. Hraði þessara flutninga upp eftir trénu getur verið allt að 15m á klst. ef marka má þýsku heimildina sem hér er vísað í.

Hvernig í ósköpunum fara trén að þessu?

Hvernig dæla plöntur upp vatni og hvað fær þær til að hefja ferlið á vorin? Af hverju byrja þær á mismunandi tímum? Á myndinni má sjá staðarbirki í Skriðdal en fremst á myndinni er ´Embla´ sem er kynbætt birki og laufgast fyrr. Einnig má sjá lerki sem er að opna brum sín. Mynd Sig.A.

Hér verða nokkur hugtök tekin fyrir sem tengjast þessu efni og geta hjálpað til við að átta okkur á hvernig ferlið gengur fyrir sig á sumrin. Í lokahlutanum verður svo spurt hvað valdi því að ferlið fer af stað á vorin, áður en skógurinn laufgast. Þeim hluta er skipt i tvennt auk niðurstöðukafla. Annars vegar er fjallað um ferlið hjá sígrænum barrtrjám og hins vegar hjá sumargrænum lauftrjám. Svar okkar við því hvað kemur ferlinu af stað kemur eflaust einhverjum á óvart.

Tré eru vissulega misvel sett til að afl sér vatns. Myndin tekin frá bænum Hallstatt í Austurríki. Mynd: Sig.A.

Hárpípukraftur og yfirborðsspenna

Þessi yfirborðsspenna gerir það líka að verkum að vatn loðir við veggi eða jaðra í allskonar rörum og pípum og togast upp eftir þeim. Eftir því sem rörið (í okkar tilfelli æðar plantna) eru mjórri, þeim mun meiri er hárpípukrafturinn. Æðar barrtrjáa eru að jafnaði þrengri en æðar lauftrjáa og því er hárpípukrafturinn meiri í þeim en hjá lauftrjám. Almennt eru þessar æðar nær alltaf innan við 0,7 mm í þvermál. Það eykur síðan enn á kraftinn að þessar mjóu æðar eru þaktar efni sem kallast xylem á erlendum tungum en hefur verið kallað viðarvefur á íslensku. Xylem eykur á viðloðun vatnsins við innanverða veggi æðanna og eykur þar með hárpípukraftinn (Waßmer og Maelicke).

Vor í Bute Park í Cardiff í Wales. Hárpípukrafturinn dugar ekki einn og sér til að koma vatni upp í laufkrónur trjánna. Mynd: Sig.A.

Það er alveg ljóst að hárpípukrafturinn skiptir miklu máli við að koma vatni úr jarðvegi og upp til plantna. Aftur á móti er líka alveg ljóst að hann dugar ekki einn og sér til að koma vatni hátt upp í laufkrónurnar vegna þess að þyngdaraflið vinnur á móti þessum krafti. Það er alveg óvíst að án annarra krafta geti vatnssúlan risið nema svona eins og einn metra við bestu skilyrði.

Uppgufun og útgufun

Í skógum á sér bæði stað uppgufun og útgufun. Vatn gufar upp af trjánum (þar með talið laufunum) og af skógarbotni. Kallast það uppgufun. Þegar vatnið fer í gegnum plönturnar og gufar upp í gegnum loftaugu laufblaðanna tölum við um útgufun. Koltvísýringurinn fer inn um loftaugun en vatnið út. Einhverra hluta vegna fer miklu, miklu meira vatn út um loftaugun en kemur inn af koltvísýringi. Meira en 90% af vatninu sem tréð tekur upp tapast við útöndun og útgufun. Aðeins um 2% vatnsins er notað til ljóstillífunar. Uppgufuninni getur tréð ekki stjórnað. Aftur á móti getur tréð opnað og lokað loftaugunum með svokölluðum varafrumum og þannig haft áhrif á útgufunina. Dæmigert tré getur borið allt að 200.000 laufblöð. Það getur gefið okkur laufflatarmál upp á um 600-700 m2. Þess vegna eru varafrumurnar mjög mikilvægar til að koma í veg fyrir ofþornun. Að auki eru laufblöðin varin, t.d. með vaxhúð eða þéttum hárum. Samt geta yfir 200 lítrar af vatni gufað upp á hverri klukkustund í gegnum laufblöðin (Waßmer og Maelicke).

Mynd úr kennslubókinni Elements of Ecology sem sýnir laufblað og loftaugu (stoma) sem og varafrumurnar sem geta opnað og lokað loftaugunum til að stjórna útgufuninni. Copyrigt: (2009) Pearson Education Inc.

Vegna samloðunarkrafta vatnssameinda og viðarvefs (xylen) í æðum trjáa helst vatnssúlan heil í trénu á meðan á úgufun stendur. Í hverju tré er því vatnssúla sem stendur heil og upprétt allt frá rótum trjánna til efstu laufblaða, þar sem það gufar upp. Þrjátíu metra hátt tré hefur þá þrjátíu metra háa, en örþunna, vatnssúlu innan í sér. Eins og kunnugt er er engin keðja sterkari en veikasti hlekkurinn. Það sama á vitanlega við um þessa vatnssúlur. En þær slitna ekki. Yfir sumarið myndast engar loftbólur í vatnssúlunni þannig að ferlið getur alltaf haldið áfram. Á veturna, þegar allt er frosið, verða trén að bregðast við frostþenslu vatns. Þá hljóta að myndast loftbólur enda er ferlið ekki eins virkt á þeim tíma.

Rétt er líka að benda á að sú útgufun sem á sér stað í gegnum laufblöðin er háð ýmsum þáttum svo sem hita, vindi og rakastigi. Eftir því sem hlýrra er þeim mun meiri útgufun. Snemma vors, þegar enn er kalt, er mun minni uppgufun en þegar líður á sumarið.

Útgufunin tengist bæði osmósu og safaspennu eins og greint verður frá hér neðar.

Þegar þokan hylur skóginn gufar lítið vatn upp úr laufi og barri. Myndin er úr Ölpunum. Mynd: Sig.A.

Osmósa

Frumur eru þannig gerðar að hinar litlu vatnssameindir (H2O) fara þaðan sem mikið er af þeim og þangað sem minna er af þeim. Þetta ferli má skoða ögn betur í næsta kafla. Þegar önnur efni haga sér á þennan hátt kallast það flæði. Við þurfum ekkert að pæla í því í bili. Frumuhimnan hleypir vatni inn eða út eftir því sem þarf. Þetta má meðal annars skoða með því að setja gúrkubita í mismunandi saltlausn. Í fersku vatni er hlutfall vatnssameinda hærra utan við gúrkubitann en inni í honum. Þá streyma vatnssameindirnar inn í bitann og hann þenst út. Ef mikið salt er í vatninu getur dæmið snúist við. Þá er hlutfallslega meira vatn inni í bitanum en í saltvatninu og vatnið streymir úr gúrkunni yfir í saltvatnið. Við það dregst bitinn saman. Þetta ferli kostar frumurnar enga orku.