天宫二号搭载实验方案——太空环境下植物蒸腾作用的变化
（一）实验方案的提出
1.植物蒸腾的重要作用
蒸腾作用的强弱是植株水分代谢的一个重要生理指标，它能调节植物体内及植物与环境间的水分动态平衡，与植物的生长、营养元素的吸收和运输都有密切的关系。植物体特别是叶子吸收的阳光大部分转变为热能，可使植物体的温度大大提高。蒸腾作用能把大量的热散发出去，从而使植株尤其是叶片温度降低，达到保护它们不受损伤的效果。植物对环境的适应取决于水分状况，水分是限制植物生长的主要因子。植物与温度、水分的关系一直是植物与环境关系的研究热点。
太空首先是一个微真空，微重力环境，再加上其强辐射环境，其次，太空的温度和蒸汽压环境也是很复杂的。
火星是被发现与地球环境最相似，同时人类历史上最极端的工程项目恐怕将在火星上展开。过去几十年间，各种各样的方案浮出水面，欲将距离地球最近的邻居变成更适于人类居住的地方，也就是说地球化。其主要内容就是改变火星目前的气候和大气，使其与地球更加相似，创建一个更适合人类居住的环境。应对这种复杂的环境，需要一种抗旱，耐寒，耐贫瘠的植物以发挥改良环境。
在太空中，植物的蒸腾作用又是如何？与地球上相比，其进行蒸腾作用的途径和速率是否会发生变化呢？
2.问题的提出与分析
植物根系有两种吸水机制：一种是在蒸腾作用较弱的情况下由离子主动吸收和根内外的水势差作用下的主动吸水（渗透流），另一种是由于蒸腾作用产生的水势差而使根系吸水的被动吸水（压力流）。目前认为，植物水分传输的驱动力为水分沿导管或管胞上升要受到的蒸腾拉力、根压、重力和毛管力四种力的矢量和。植被向大气的水分扩散由植被冠层—大气界面的水汽压梯度与扩散阻力决定，其中植被冠层—大气界面的调控起关键作用，可以用冠层表面导度来表示，它包括植物生理因子的叶片气孔导度和非植物生理因子的边界层导度。
太阳辐射、大气相对湿度和温度是影响植物蒸腾的最主要的微气象因子，其中植被蒸腾与冠层太阳辐射、空气饱和差和空气温度呈正相关关系，与空气湿度呈负相关关系。
太阳辐射对于蒸腾的影响表现在两个方面：一是可见光能影响气孔的开闭，大多数植物的气孔在无光条件下关闭；二是太阳辐射能影响叶面的温度，改变叶面的能量平衡，为植物的蒸腾提供能量。大气相对湿度通过改变植物叶片与大气之间的水汽压差（饱和差），而改变蒸腾的驱动力。但通常大气相对湿度的大小不能说明蒸腾的强弱，因为在不同温度下即便相对湿度相同，其水汽饱和差也差别很大。
植物的蒸腾作用受多种因子影响。内在机制主要有蒸腾拉力、根压、重力和毛管力，水汽压梯度与扩散阻力。外在机制主要有微气象因子，其中最重要的影响因子是太阳辐射。
在太空环境中，微重力和强太阳辐射是否会对蒸腾作用产生影响呢？植物的蒸腾作用又会发生怎样的变化呢？
（二）太空环境资源利用
在太空中，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒子，形成宇宙射线。如太阳有太阳电磁辐射，太阳宇宙线辐射和太阳风，太阳宇宙线辐射是太阳在发生耀斑爆发时向外发射的高能粒子，而太阳风则是由日冕吹出的高能等离子体流。许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒子，形成辐射很强的辐射带，如在地球的上空就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射环境。
太空还是一个高真空，微重力环境。重力仅为百分之一到十万分之一g（g——重力加速度），而人在地面上感受到的重力是1g。
（三）实验目的
探究在太空环境中，微重力和强太阳辐射等因子对蒸腾作用产生的影响。
（四）实验原理和方法
反映植物蒸腾强度的指标可以采用蒸腾强度来表示。蒸腾强度是指植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。一般用每小时每平方米叶面积蒸腾水量的克数表示（g·m-2·h-1）。
采用热扩散式探针法测量蒸腾强度。热扩散式探针法理论依据为植物从土壤中吸收的水分绝大部分通过蒸腾作用从体表散失，仅有极少量的水分用于自身发育。因此植物的蒸腾水量基本上可以反映从土壤中吸收的水量，而从枝干中测得的水分流量就相当于蒸腾耗水的量。向枝干持续供给恒定的热量，由于液流向上运输，在理想状态下，被液流带走的热量就等于供给的热量。
（五）实验材料及设备
铜镍合金线若干；铜线；数字采集仪；电源；培养液；驼绒藜（属半灌木，高30～100cm，多分枝，有星状毛。抗旱、耐寒、耐瘠薄，是改良天然草场最有前途的植物之一）。
（六）实验过程
植株选择生长状况良好、分枝部位较高的个体。于植株四个方向的胸高处上下垂直，两点相距5～10cm各削去一小片皮，大小便于铝管插入即可（注意不伤到边材，有树皮或伤到韧皮部都会影响到数据的准确度）。然后用直径为2.5 mm的钻头钻0.5cm深，将铝管（直径2mm，长0.5cm）插入，上、下探针分别涂上具有良好导热性能的硅润滑油，轻轻插入铝管中，使探针通过润滑油与铝管紧密接触。将两探针的铜镍合金线相接，加热的阻丝外接直流电，由可调式电源板调节恒定的电流强度；两探针的温差信号通过电缆与数据采集仪连接，自动记录测定数值。通过计算机程序设定测定频度：每30 s测读1次，每10 min进行平均并储存数据。
（七）实验预期结论
在微重力和强太阳辐射等微气象因子都能加快植物蒸腾作用，在太空环境中，植物蒸腾作用快于地球环境中的蒸腾作用。
（八）实验装置设计图（如图8-72所示）
图8-72
（九）实验要求
1.操作注意事项
（1）根据实际情况定时添加培养液。
（2）实验设置三个重复，取平均值。
（3）选取相似植株，设置地球实验作为对照。
2.实验数据分析
每30s测读1次，每10min进行平均并储存数据。利用Excell和Spss进行数据处理和方差分析。
3.其他注意事项
（十）实验数据的处理
1.依据Granier给出的一个茎液流密度与最大温差和瞬时温差的标定方程：Js=119×106（△Tm-△T／△T）1.231，其中，（△Tm为探针测到的昼夜最大温差；△T为探针测到的瞬时温差；Js为瞬时液流密度（g H 2 O·m-2·s-1）），由此可计算茎液流密度。因此，通过分析两探针间的温差数据和表皮面积即可得到茎液流量。
2.单株植株单位时间的蒸腾量（Et）
（1）如果驼绒藜表皮没有水分输导导度没有径向变化的特征，则Et=Js×As
（2）如果驼绒藜表皮没有水分输导导度有径向变化的特征，则Et=∑Jsi×Asj=Js1×As0-5+Js2×As5-10+…+Jsi×As（n+5）-（m+5），式中，As0-5为内茎最外侧5mm的面积；Js1为该处对应的液流密度；As5-10为内茎5～10mm的面积；Js2为该处对应的液流密度，以此类推。