Hur suger träd upp vatten?

Jonas Olsson
Erling Ögren, växtfysiolog, SLU
Hur suger träd upp vatten?

Gasutbytet vid bladytorna - grunden för vattentransporten
Vatten transporteras från rötter till blad i ett rörsystem uppbyggt av specialiserade celler som är döda och tomma. Rörsystemet som på fackspråk kallas xylem är synligt som ved i stammar och ”nerver” i blad. Vattnet transporteras som en följd av att bladen förlorar vatten när klyvöppningarna hålls öppna. Klyvöppningarna är små porer på bladytan som hålls öppna på dagen för att släppa in den koldioxid som behövs i fotosyntesen. Samtidigt passerar vatten ut. Båda molekylslagen rör sig genom diffusion. Luften utanför bladen har en mycket låg koncentration av koldioxid (ca. 350 miljondelar) medan den luft som bladen innesluter är mättad m. a. p. vattenånga, ett resultat av avdunstning från bladcellerna (vid 20-25 C innehåller vattenmättad luft ca. 2 % vattenånga). Följaktligen hinner ett stort antal vattenmolekyler passera ut genom klyvöppningarna per koldioxidmolekyl som passerar in.

Vattenförlusten vid bladytorna är orsaken till varför växter konsumerar så stora mängder vatten i förhållande till den biomassa som de samtidigt producerar genom fotosyntes (mer än 95% av biomassan utgörs av fotosyntesprodukter). För att producera 1 kg torr biomassa åtgår i storleksordningen 500 kg vatten.

Vattentransporten drivs av tryckskillnader
När vattnet passerar ut genom klyvöppningnarna uppstår en brist som yttrar sig som ett undertryck, ett ”sug” i bladets xylem. En stor trädkrona med hundratusentals blad/barr utvecklar ett mycket stort undertryck, ca. -2 MPa eller -20 atmosfärer (minustecknet anger att det är fråga om undertryck). Vatten rör sig från rötterna där trycket är högt till bladen där trycket är lågt. Trycket sjunker därvid också i rötterna och vatten kan i sin tur röra sig från marken till rötterna. Vattentransporten är alltså en fysikalisk process som drivs av tryckskillnader. Kapillärkrafter är inte verksamma och osmos är inte verksamt annat än i samband med reparation av xylemet.

Osmos får saven att stiga och rensar rören
Reparation av xylemet genom osmos förekommer bl.a. hos björkar på våren innan de vecklat ut bladen (savstigning). Syftet är att rensa xylemet från ”luftproppar”. När xylemvätskan fryser på vintern frigörs luftbubblor eftersom is bara kan lösa små mängder luft. När isen tinar på våren stiger luftbubblorna och kan samlas till större luftbubblor som kan täppa till enskilda rör i xylemet. Sådana ”luftproppar” måste avlägsnas innan vattentransporten kan komma igång igen på vanligt sätt. Detta åstadkoms genom att lösta ämnen flyttas in i rötternas xylem. Genom osmos följer vatten med in i xylemet och en vattenpelare stiger i xylemet som sveper med sig eventuella ”luftproppar” på vägen. ”Luftpropparna” måste avlägsnas eftersom de förhindrar vattentransport genom undertryck. Utsätter man luft för undertryck kan man i bästa fall skapa vakuum (0 MPa) men inte undertryck. En vattenpelare kan däremot sättas under undertryck eftersom vattenmolekylerna hålls samman sinsemellan och med cellväggarnas cellulosa med mycket starka krafter. Kraften är s.k. vätebindning mellan negativt laddade syregrupper och positivt laddade vätegrupper på molekylerna. Motsvarande bindningar finns inte mellan molekyler i gasfas. Om luft sugs in i en vattenpelare under undertryck förloras undertrycket; för att återskapa undertrycket måste luften avlägsnas vilket alltså kan ske m. h. a. osmos hos vissa arter.

Barrträden saknar denna förmåga att reparera xylemet men har i gengäld ett xylem som inte lika lätt luftfylls som lövträdens xylem. Trots detta kommer barrträdens xylem att med tiden att successivt luftfyllas. Xylem som bildats för mer än 30 år sedan är oftast helt luftfyllt. Detta kan ses hos snittytan av en färsk granstock som en yttre vattenfylld mantel - splint - och inre luftfylld kärna. Hos vissa arter fylls kärnan sedan med olika ämnen som motverkar svampsjukdomar.

Vattenförbrukning hos olika växter
Hur stor mängd vatten en viss växt förbrukar bestäms av dess sammanlagda bladyta samt av temperaturen och vindhastigheten. Eftersom olika arter växer olika snabbt utbildar de också sina bladverk olika snabbt. Olika arter får därför olika stor vattenkonsumption under en längre period efter plantering eller sådd. Lövträd som växer snabbare än barrträd konsumerar mer vatten under de första 30 åren eller så. Sedan kan förhållandet bli det omvända. En gran får med tiden en större sammanlagd bladyta än en tall eller björk och följaktligen också en större vattenkonsumtion. Skillnaderna är dock inte särskilt stora i slutna bestånd. Skillnaderna blir större om fristående träd jämförs eftersom dessa kan utveckla större kronor p. g. a. större ljustillgång.

Det är ingen större skillnad i vattenkonsumtion per arealenhet mellan gräs, örter och träd så länge som vegetationen är sluten (flera lager av blad). Sluten vegetation konsumerar ungefär 4 mm vatten under en solig sommardag, d.v.s. en vattenmängd motsvarande ett heltäckande skikt med djupet 4 mm. Detta motsvarar 4 kg per kvadratmeter (0.04 dm x 10 dm x 10 dm = 4 dm3; man anger ofta vattenkonsumtionen i mm för att kunna göra jämförelser med nederbörden och alltså sluta sig till om vegetationen lider av torka eller inte).

Ett fristående träd kan konsumera en större mängd vatten, kanske 3 ggr mer. Om trädet upptar en markyta av 30 m2 motsvarar detta en daglig vattenkonsumtion av i storleksordningen 300-400 kg. Anledningen till den större konsumtionen hos det fristående trädet är att det har kunnat utveckla en större krona och är mer utsatt för solljus och vind. Därmed kommer vi in på temperaturen och vindens betydelse för vattenkonsumtionen. När temperaturen stiger i solbelysta blad ökar koncentrationen av vattenånga inuti bladen; antalet vattenmolekylerna med tillräckligt stor rörelseenergi - värmerörelse - för att slita sig från den ömsesidiga vätebindningen ökar. En allt större mängd vattenånga kommer alltså att passera ut genom klyvöppningarna med stigande temperatur. Med stigande vindhastighet ökar också vattenförlusterna genom att det stillastående luftskiktet som utbildas närmast bladet p.g.a. friktion mellan luft och blad minskar i tjocklek. Ett tunnare skikt innebär kortare väg för vattenmolekylerna att passera genom långsam värmerörelse (diffusion).

Hur mäter man vattentransport?
De mängder av vatten som avdunstar från bladen balanseras i stort sett av lika stora mängder som transporteras upp genom stammen och som tas upp i rötterna. Vi kan alltså mäta vilken som helst av komponenterna avdunstning, transport eller upptag om vi vill skatta vattenkonsumtionen. Den mest direkta metoden är att stänga in rotsystemet i en behållare och skatta konsumtionen från minskningen i vikt över tiden hos behållare med innehåll. Det låter sig svårligen göras med stora träd men metoden har använts även för dessa. Alternativt kan man stänga in enstaka blad i en kammare och mäta ökningen i vattenångans koncentration i den omgivande luften under någon minut. Den totala avdunstningen fås genom att multiplicera med antalet blad i kronan; det senare kan skattas från ljusets utsläckning i kronan. Ytterligare ett alternativ är att mäta vattentransporten i stammen: Man placerar ett värmeelement i form av ett bälte runt stammen och temperaturgivare på ömse sidor någon decimeter ifrån. Tjock isolering placeras över alltsammans. Från temperaturökningen vid den övre temperaturgivaren kan man sluta sig till hur stor värmemängd som transporterats upp och följaktligen också hur stor mängd vatten som transporterats upp eftersom vattnets värmekapacitet är känd. Man måste dock korrigera för den direkta värmeledningen i vävnaderna vilket man kan göra utifrån temperaturökningen vid den nedre temperaturgivaren.

Publicerad: