Thoát hơi nước là một quá trình sinh lý quan trọng, tương tự như sự bay hơi, đóng vai trò thiết yếu trong chu trình nước của thực vật. Nó liên quan đến sự mất hơi nước từ các bộ phận khác nhau của cây, tương tự như việc đổ mồ hôi ở động vật. Quá trình này diễn ra chủ yếu ở lá, nhưng cũng xảy ra ở thân, hoa và rễ. Bề mặt lá chứa các lỗ nhỏ gọi là khí khổng, thường tập trung nhiều hơn ở mặt dưới. Các tế bào bảo vệ bao quanh và điều khiển việc đóng mở các khí khổng này.
Thoát hơi nước qua khí khổng là một “chi phí” cần thiết để cây hấp thụ khí cacbonic từ không khí cho quá trình quang hợp. Quá trình này không chỉ giúp làm mát cây mà còn điều chỉnh áp suất thẩm thấu và tạo điều kiện cho việc vận chuyển các chất dinh dưỡng, khoáng chất và nước từ rễ lên các bộ phận khác.
Dòng chảy của nước lỏng từ rễ lên lá được thúc đẩy một phần bởi hiện tượng mao dẫn. Tuy nhiên, ở những cây cao lớn, lực hấp dẫn chỉ có thể bị khắc phục bằng cách giảm áp suất thủy tĩnh trong các bộ phận phía trên, thông qua sự khuếch tán nước ra khỏi khí khổng vào khí quyển. Nước được hấp thụ tại rễ thông qua quá trình thẩm thấu, kéo theo các chất dinh dưỡng khoáng chất hòa tan, và được vận chuyển qua xylem (mạch gỗ).
Thực vật có khả năng điều chỉnh tốc độ thoát hơi nước bằng cách kiểm soát độ mở của khí khổng. Tốc độ này còn chịu ảnh hưởng bởi nhu cầu bay hơi của không khí xung quanh lá, bao gồm độ ẩm, gió, nhiệt độ và ánh sáng mặt trời. Nguồn cung cấp nước trong đất và nhiệt độ đất cũng có thể tác động đến độ mở của khí khổng, và do đó, ảnh hưởng đến tốc độ thoát hơi nước. Lượng nước mà cây mất đi phụ thuộc vào kích thước của cây và lượng nước mà rễ hấp thụ. Mặc dù thoát hơi nước qua khí khổng chiếm phần lớn lượng nước mất đi, một phần nhỏ nước cũng bay hơi trực tiếp qua lớp biểu bì của lá và cành non. Quá trình thoát hơi nước giúp làm mát cây do hơi nước mang theo nhiệt năng khi thoát ra.
Bảng dưới đây tóm tắt các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ thoát hơi nước của thực vật:
| Đặc trưng | Ảnh hưởng đến thoát hơi nước như thế nào |
|---|---|
| Số lượng lá | Nhiều lá hơn đồng nghĩa với nhiều khí khổng hơn, dẫn đến mất nước nhiều hơn và tăng diện tích bề mặt cho sự bay hơi. |
| Số lượng khí khổng | Nhiều khí khổng hơn làm tăng tốc độ thoát hơi nước. |
| Lớp biểu bì | Lớp biểu bì sáp hoặc có tính phản xạ giúp ngăn chặn sự nóng lên của lá, giảm nhiệt độ và tốc độ bay hơi. Đặc biệt quan trọng đối với các cây cần giảm thiểu sự mất nước. |
| Ánh sáng | Khí khổng thường mở ra khi quang hợp. Ánh sáng khuyến khích khí khổng mở, làm tăng tốc độ thoát hơi nước. Tuy nhiên, cũng có những trường hợp ngoại lệ như khí khổng mở vào ban đêm ở một số loài. |
| Nhiệt độ | Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ thoát hơi nước theo ba cách: (1) Tăng tốc độ bay hơi. (2) Giảm độ ẩm tương đối xung quanh lá, làm tăng gradien thế nước. (3) Tăng động năng của các hạt hơi nước, thúc đẩy sự khuếch tán ra khỏi lá. |
| Độ ẩm | Môi trường khô hơn làm tăng gradien thế nước, dẫn đến tốc độ thoát hơi nước cao hơn. |
| Gió | Gió thổi bay lớp hơi nước tích tụ xung quanh lá, duy trì gradien thế nước cao và tăng tốc độ thoát hơi nước. |
| Cấp nước | Thiếu nước làm giảm độ mở của khí khổng, giảm tốc độ thoát hơi nước. |
Một cây trưởng thành có thể mất hàng trăm lít nước qua lá trong một ngày nóng và khô. Khoảng 90% lượng nước mà rễ cây hút vào được sử dụng cho quá trình này. Độ thoát hơi nước, tỷ lệ giữa lượng nước thoát ra và lượng chất khô được tạo ra, thường dao động từ 200 đến 1.000 ở các loại cây trồng. Tốc độ thoát hơi nước có thể được đo bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm potometers, thẩm kế và porometers.
Các loài cây sống ở sa mạc và cây lá kim có các đặc điểm thích nghi đặc biệt để giảm thoát hơi nước và bảo tồn nước, chẳng hạn như lớp biểu bì dày, diện tích lá giảm, khí khổng chìm và lớp lông bảo vệ. Nhiều loài xương rồng quang hợp trong thân cây mọng nước thay vì lá, giúp giảm diện tích bề mặt tiếp xúc. Một số cây sa mạc sử dụng một loại quang hợp đặc biệt gọi là trao đổi chất acid crassulacean (CAM), trong đó khí khổng đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm để giảm thiểu sự mất nước.
Tóm lại, thoát hơi nước là một quá trình phức tạp và quan trọng đối với sự sống của thực vật. Nó không chỉ giúp điều hòa nhiệt độ mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước và chất dinh dưỡng, đồng thời ảnh hưởng đến sự hấp thụ khí cacbonic cho quá trình quang hợp. Hiểu rõ về quá trình này và các yếu tố ảnh hưởng đến nó có ý nghĩa quan trọng trong nông nghiệp và quản lý tài nguyên nước.