巨杉为什么能长这么大：走近谢尔曼将军树与海岸红杉林

你将走过什么

巨杉为什么能长这么大？它们能长上数千年，最大的树每年仍增加约一立方米木材。照片却很难表现这种尺度：要么只拍到树脚和几米树干，要么从远处拍全，结果看起来像普通针叶树。站在树脚仰望，再用身旁的人作参照，才能体会它的大小。这就是展览的起点。

你从谢尔曼将军树旁出发，它是地球上按树干体积计最大的树。你可以走过以巨杉国家公园巨杉林为原型的树林，沿研究员的绳索爬上谢尔曼树干，穿过中空的倒下巨树，点燃一片巨杉林，观察火对它们的作用，也可以把树干剖面调回公元前 1000 年以来的任意年份。一条短路和一块路牌通向另一片森林：多雾太平洋海岸的海岸红杉林，其中一棵模型树与已知最高树亥伯龙神树等高。

场景中的数值来自照管这些树的机构。高度、直径和体积采用美国国家公园管理局公布的数据。球果、种子、根和生长资料来自美国林务局的《北美树木生态学》及火效应信息系统。水的物理原理依据 George Koch 等人 2004 年在《Nature》发表的论文，他们爬上最高的红杉，测量树顶水分受到的拉力。估计值会在场景中明确标注。

最初十秒

初始视角在步道上，距树约 30 m，向上仰望。树干占据屏幕中央，越过上边缘继续延伸。树脚围栏外有个浅色人形，高 1.7 m。大约 49 个人这样头顶脚叠起，才能到达树顶。

树干 58 m 高处，另一个人形悬在红绳上。树冠研究员确实沿固定绳索攀树，按「攀爬」便可跟随这个人形。下方第一根大枝从 39.6 m 处伸出，树冠宽 32.5 m。

谢尔曼将军树有多大？

公园以英尺测量，并在旁边标出米数。模型直接采用这些数值。

有一处小误差：102.6 ft 是 31.27 m，而非 31.1 m。展览保留公园印出的数值，并在数据核对中说明差异。

树干体积为 52,508 立方英尺，即 1,487 m³。公园用木材计量单位表示，约为 630,000 板英尺；仅树干就重近 1,400 吨，约相当于 15 头成年蓝鲸。最新树龄估计约为 2,200 年。早期估计较高，旧路牌和书里仍能看到那些数值。

模型树干经过每个已公布的直径测点，中间平滑收细，底部展开成板根状，表面刻出深深的纵向沟脊。按模型半径算出的体积约为 1,650 m³，略大于公园数值，因为模型基部呈圆形，而真树基部不规则，且部分已被烧去。

最大、最高、最老

这是三项不同纪录，分别属于三种不同的树。

按体积计最大的是谢尔曼将军树。第二是国王峡谷国家公园的格兰特将军树：高 268.1 ft（81.7 m），地面周长 107.5 ft（32.8 m），树干体积 46,608 立方英尺（1,320 m³）。它的树脚比谢尔曼树宽，但树干收细得更快。（公园网页自身将高度写为 88.7 m，与 268.1 ft 不符；展览采用 81.7 m。）科学家在 2011 和 2012 年逐枝测量总统树，若计入树枝，总统树升至第二，格兰特树退居第三。

最高的是一棵海岸红杉。Stephen Sillett 在 2006 年攀上亥伯龙神树，从树顶垂下卷尺，测得 379.1 ft（115.55 m）。它比谢尔曼树高约 31.75 m，树干却纤细得多。

最老的两者都不是。巨杉可活过 3,000 年；已计数的最老个体有 3,266 圈年轮。优胜美地灰熊巨树在 2019 年测得树龄为 2,995 年，误差约 250 年。海岸红杉可达 2,000 年。但大盆地刺果松 Methuselah 在 1957 年取芯时已有 4,789 岁，已计数的最老刺果松达 4,844 岁。

若计算整个相连的生命体，而非单一树干，犹他州名为 Pando 的克隆山杨在重量上超过它们：约 40,000 根树干共用一套根系，覆盖 106 英亩，重近 1,300 万磅。

两种红杉

巨杉（Sequoiadendron giganteum）和海岸红杉（Sequoia sempervirens）亲缘接近，生活方式却大不相同。

巨杉只生长在加利福尼亚内华达山脉西坡，约 75 片树林散布在长 420 km、最宽不超过约 24 km 的地带。树林总面积为 14,410 ha。多数位于海拔 1,400 至 2,150 m 之间，冬季积雪深厚（隆冬积雪 2 m 以上很常见），夏季干燥。它们粗壮沉重，树皮厚而呈海绵状。

海岸红杉生长在长约 724 km、宽 8 至 56 km 的沿海地带，从俄勒冈最西南端的两片树林向南延伸至加利福尼亚。限制它们分布的是雾。夏季内陆山谷升温，凉雾从海洋被吸入，保持森林湿润。海岸红杉更高更细，能够从树桩和根部萌芽，巨杉则不能。

展览中，两片森林由短路相连。现实里，从巨杉林地区到近海红杉公园游客中心的直线距离约为 700 km。中间的路牌说明了这一点。

水怎样到达树顶

谢尔曼将军树顶部每片活叶都需要水，而水来自下方 83.8 m 的土壤。树没有泵，靠拉力提升水。

叶片有称为气孔的微孔。要制造糖，叶片必须打开气孔吸收二氧化碳，而气孔打开时，水也会蒸发逸出。水离开叶内细胞壁时，拉动后面的水。水位于细小的木质管道，即木质部内，这些管道从叶片经树枝、树干和根，连续通向土壤。水分子彼此强烈吸引，整条水流便像绳索一样被一起拉上去。这称为内聚力-张力理论，高大红杉的测量结果与它十分吻合。

关键在于高树内的水承受张力，压力低于零。吸水泵做不到这一点。管顶的泵只是抽去水面上方空气，实际由外界气压把水推上去，而气压只能推到约 10.3 m（101,325 Pa 除以 1 m 水柱产生的压力 9,810 Pa）。再往上，管内的水就会沸腾成蒸气。树能将水提升到十多倍的高度，因为水不是被推上去，而是被拉上去。

开启「树干中的水」，光点会在树皮内缓慢螺旋上升。颜色表示各高度水分受到的拉力，从树脚蓝色变成树顶红色。

每升高一米的拉力

抵抗重力维持水柱，每升高一米需额外 0.0098 MPa 拉力（水的密度乘以 g）。因此，仅克服重力需要：

场景面板显示「仅克服重力」时，采用的就是这个数值，因为是拉力，前面带负号。

Koch 等人测量了五棵超过 110 m 高的红杉。黎明前叶片不失水时，每升高一米压力下降 0.0096 MPa，几乎正好等于重力值。正午水流加快时，下降略快，而且管道摩擦和叶片干燥产生的拉力使整条线下移。正午拟合线为压力 −0.00973 × 高度 − 0.712 MPa。面板第二个数值采用此线，115.55 m 处约为 −1.84 MPa。

这些数值很大。1 MPa 的拉力约为周围空气压力的十倍。

树为何不再继续长高

既然水能被拉上去，为何不能到 200 m？同一研究给出了解释。越高处水受到的拉力越强，叶片生长时越难膨大，因而变得更小更厚。气孔关闭程度更高，吸收的二氧化碳更少，制造的糖也更少。达到某个高度后，新叶消耗会超过收益。

水柱也有断裂点。拉力过强时，空气会透过管壁进入，形成气泡，使管道停止输水。这就是空穴化。从 109 m 高处采集的枝条，在压力降到约 −1.9 MPa 时开始发生，略低于最高树顶实测的最低压力。

综合这些结果，Koch 等人估计，若不受风或雷击损伤，红杉最高可达 122 至 130 m。正午拟合线在约 122 m 处达到 −1.9 MPa。场景标尺把这一范围画成红带，位于亥伯龙神树金色条和谢尔曼树棕色条上方。实测最高红杉每年仍能长高达 0.25 m。

雾：来自空气的水

红杉海岸的夏季是旱季。雾帮助森林度过旱季。

雾飘过树冠，雾滴聚在针叶上，直到滴下。在加利福尼亚北部的一项三年研究中，Todd Dawson 发现，红杉滴下的雾水占全年到达地面水量的 34 %。没有树拦截的地方，雾只贡献 17 %。树使自身这部分供水翻倍。

雾和雨的氢氧同位素天然比例不同，借此还能判定植物体内水分的来源。夏季红杉体内约 19 % 的水来自雾，林下植物则约为 66 %。对红杉而言，这相当于全年蒸腾水量的 13 % 至 45 %。

雾还有两种较不显眼的作用。周围空气已饱和时，叶片失水几乎停止；红杉叶片还能直接吸收少量雾水。在湿雾中，Stephen Burgess 和 Todd Dawson 甚至测到部分枝条汁液逆流入树体。开启「雾」，走进海岸红杉林，就能看到林地逐渐灰蒙。

树皮、根与倒下的巨树

巨杉树皮可厚达 46 cm，富含纤维，柔软到手指可以按入，而且不易燃烧。地表火经过时只加热外侧，下方活组织仍足够凉，可以存活。火穿透时，树从伤口边缘愈合；多次受火后，伤口变成老树干上的黑色火疤。

根系很浅，两种树都没有主根。海岸红杉根只向下 3 至 4 m，再向外扩展 20 至 27 m。巨杉根同样伸展很远，并与邻树根交错，帮助彼此站稳。这就是公园给谢尔曼将军树围栏的原因：踩踏会压实根上的土。巨树倒下会抬起宽阔而仅数米厚的根土盘，就像展览倒木末端竖起的根盘。

巨杉木材腐烂缓慢，倒下的巨树可长期保持完整。在格兰特树林，游客能走进「倒下的君王」。模型倒木长约 56 m，中空，两端各有开口。从头到尾穿过它，即可完成一项挑战。

需要火的树

除了季节，火对巨杉生活的影响最大。年轮中的火疤显示，过去 2,000 年，巨杉林每隔 6 至 35 年就遭遇广泛火灾。多数是地表火，沿地面蔓延，烧掉枯针和小树，从巨树下经过。800 至 1300 年温暖干燥时期，火灾最频繁。

每次火都以几种方式帮助巨杉。它烧去厚针叶和细枝层，露出矿质土壤，只有这样的苗床能让巨杉种子成功扎根。它烧死部分争夺阳光的小冷杉和翠柏，热空气还会上升到树冠，使球果干燥。

在火烧林地，将「火」调到「燃烧中」。火焰沿地面蔓延，灰中余烬发光，烟向上升。老巨树基部发黑，其中一棵树脚被烧出可供人走入的洞穴，却仍然活着。调到「一周后」，种子就会落下；调到「五年后」，空地上会长出幼年巨杉。

能绿上二十年的球果

巨杉球果呈卵形，长 5 至 9 cm，约含 200 粒种子。种子扁平带翅，长 3 至 6 mm，约 91,000 粒才重一磅（每千克 200,000 粒）。地球上最大树的种子只重约 5 mg。

多数针叶树在球果成熟当年秋季就落种。巨杉球果却能在树上保持闭合、绿色和活性 20 年以上。果梗每年长一圈，可用来定龄；发现过最老的绿色球果已有 22 年。大树同时挂着 10,000 至 30,000 个球果，其中三分之二绿色闭合，每年还新增约 1,500 个。

有三种因素能打开它们。第一是小型天牛 Phymatodes nitidus，幼虫在鳞片内钻洞，被切断的鳞片干缩，种子在六个月至一年间掉出。第二是道格拉斯松鼠，也称 chickaree，吃鳞片绿色肉质部分。一只每年可咬下 3,000 至 3,500 个球果，曾观察到一只在 30 分钟内咬下 537 个。种子太小，不值得吃，就被抖落。第三种能一次释放最多种子的因素是火。局部强火上升的热空气可使整冠球果干燥，曾在火后小范围内测得每公顷落种 2,000 万粒。

种子以每秒 1.2 至 1.8 m 下落，速度足够慢，冬季风暴可把它们从高树冠送到 0.4 km 以外。

从种子到巨树

巨杉漫长的一生，押注的是少数幸运种子。绿色球果所取种子的试验发芽率仅约 20 至 40 %，且随球果年龄变化：一项试验中，2 年球果为 20 %，5 年球果升至 52 %，8 年时降至 27 %。岩地树木的种子优于深厚谷底土中树木的种子，大种子也优于小种子。

落在厚枯落物上的种子几乎总会失败。枯落物干得太快，无法萌发；少数萌出的幼苗也会在根接触矿质土壤前死亡。种子若落在疏松湿润的矿质土壤上，覆盖约 1 cm，就有机会。部分遮阴能帮助它度过第一个夏天。在季初土壤仍湿时及早扎根的幼苗，最可能挺过旱月。

三年后，存活幼苗的根深约 36 cm，足以在夏季找到水。最初几年长高缓慢，周围大树争夺光和水，限制其生长。仅 10 岁的树就发现过能育的球果，但成熟树大量结球果通常要等到 150 或 200 岁。之后，它与多数生物不同，直到老年仍保持旺盛繁殖能力。最大的巨树不一定最老，却会结出大量带有活种子的球果。

公园给出的计算很简单：数千年寿命中，一棵巨杉只需一粒种子长成大树。

百年无火

约 1860 年后，火灾停止。大群羊在山间放牧，吃掉能传播地表火的植物；原住民点火减少，之后政府机构又主动灭火。

对长寿树木而言，一百年很短，却已显出影响。研究员从巨杉林、Atwell Grove 和 Mariposa Grove 的 659 棵巨杉取出铅笔般细的树芯，数年轮。到 1800 年代，树林一直稳定或扩张；1900 年代几乎没有幼年巨杉扎根。同时，枯木、针叶和密集幼年冷杉等可燃物不断积累。

这些树芯也纠正了「巨杉每 100 年直径增加一英尺」的旧经验法则。细巨杉比它预测的老得多。201 棵直径不足 30 cm 的巨杉中，只有 54 棵小于 100 岁，其中一棵直径 30 cm 的树已近 300 岁。隐藏发现之一就是这样的树。

管理者理解树林对火的依赖后，开始用计划烧除主动恢复火。火烧出向阳空地的地方，幼年巨杉又开始扎根。

新的火灾

2020 和 2021 年的火不同。2020 年 8 月，雷击引发 Castle 大火。它烧过温暖干燥山坡上近期未受火的树林，估计烧死 7,500 至 10,600 棵直径超过 1.2 m 的大型巨杉，占内华达山脉所有大型巨杉的 10 至 14 %。2021 年 KNP Complex 大火烧过 16 片巨杉树林，Windy 大火又烧过南部更多树林。两场合计估计已杀死或将杀死 2,261 至 3,637 棵大型巨杉。两年火灾合计估计杀死全部大型巨杉的 13 至 19 %。

近几十年有计划烧除的树林，野火进入时较平缓。2021 年 9 月，KNP Complex 大火向巨杉林爬升，消防员用防火箔材包住谢尔曼将军树及其他名树底部 10 至 15 英尺，防止火焰进入旧火疤。展览的火烧林地旁有一棵包裹的树。

这些火灾之前，2012 至 2016 年出现高温干旱。高温加剧旱情，巨杉叶片枯死，科学家发现 33 棵站立死亡的巨杉，本地树皮甲虫与基部火伤共同致死。以前很少见巨杉这样死去。

读年轮

树每年在春季长浅色木材，夏末长深色木材。数这些带状纹理便可知树龄。对照多棵树宽窄年轮的排列，就能给每圈年轮确定准确年份，这称为交叉定年。年轮确定后，其中的火疤等痕迹也就有了年代。

展览中的年轮剖面是模型，不是真树切片。它代表一棵公元前 1000 年火后萌发、有 3,026 圈年轮的巨杉。宽度遵循简单规则：幼时较宽，之后每年约半毫米，叠加干湿时期；800 至 1300 年火灾最频繁时年轮较窄，2012 至 2016 年旱期则极窄。火疤每隔 6 至 35 年出现一次，直到 1860 年停止，之后在一次计划烧除和 2021 年火灾中重现。

拖动「年轮年份」，剖面随之改变：尚未生长的部分变灰，选中年轮变红。上方框显示当时树龄、直径以及该圈距树皮的距离。有些年份带有事件。公元 79 年维苏威火山掩埋庞贝时，它已超过 1,000 岁。公元 80 年斗兽场开放、1395 年景福宫建成、约 1450 年马丘比丘建成、1969 年人类踏上月球时，它都已存在。事件会链接到相应展览，例如庞贝的最后一天和阿波罗登月地点在哪里：六处着陆点的月面步行与月球车。

你的年轮

打开「我」，输入身高和出生年份。出生那年的年轮会在剖面上以蓝色显示，距树皮几厘米。面板还会告诉你，多少个你叠起才能到谢尔曼树和亥伯龙神树顶，多少个你头脚相接躺下才能围住谢尔曼树脚，你出生时谢尔曼树多少岁（按公园约 2,200 年估计），以及最大的巨杉自那以后各新增了多少木材。

最后一个数来自公园给出的最大巨杉每年新增约一立方米木材，体积约等于一棵高 15 m、粗 30 cm 的树。Nathan Stephenson 等人对全球树木生长的大型研究，在数百个树种中发现相同趋势：最大最老的树每年继续增添更多木材，而非更少。

并排比较巨物

巨杉林旁的草甸上，一列其他巨物按真实尺寸排列。

城市巴士长约 12 m。最大动物蓝鲸可达约 33 m。最大的恐龙之一 Patagotitan mayorum 长约 37 m，这个长度按骨骼估计。26 层楼以每层 3.2 m 计高 83.2 m，因为公园把最大巨杉比作普通 26 层楼。绿色标尺表示自由女神像从地面至火炬尖的高度，305 ft 1 in（93 m）；金色标尺表示亥伯龙神树的 115.55 m，比火炬高约 22 m。

鲸和恐龙躺着时很长，但若竖到树旁，还不到谢尔曼树的一半高。重量方面，公园把谢尔曼树干比作约 15 头成年蓝鲸。你可以在巨齿鲨和蓝鲸谁大？比较海洋巨兽的真实体型与化石证据见到鲸，在在真实大小的恐龙之间漫步见到恐龙。

海岸红杉：萌芽、树瘤和树木环

海岸红杉有巨杉没有的本领：萌芽。被砍或死亡后，树桩和根颈几周内便冒出新梢，一个树桩周围常有超过 100 株。每株长出自己的根，最强壮的成为树。几十年后，原来一棵树的位置会站着一圈树，人们称为树木环。展览红杉林中就有一圈。

红杉还会长树瘤，即树干脚下坚硬多结的膨大部，内含休眠芽。树干被火烧死或折断后，树瘤能萌发新树。木材富含单宁，能抵御大多数昆虫和病害，厚树皮则能保护树干，只有最强的火才可能穿透。

红杉下生长着剑蕨、红杉酢浆草、春开紫粉花的杜鹃，以及黑熊爱吃的越橘和美洲莓。花旗松、西部铁杉、石柯和太平洋草莓树与红杉混生。

亥伯龙神树，以及为什么没有地图

亥伯龙神树长在红杉国家公园步道外、灌丛浓密的封闭区域，公园请游客不要寻找。去过的人踩死基部植物，留下垃圾，压实浅根上方的土壤。公园还指出，实际观赏可能令人失望：树干并非特别宽，从地面看不出它的高度，而步道旁数百棵树站在下面更有观感。闯入封闭区可能被罚款或监禁。

展览尊重这一要求。这里高 115.55 m 的红杉，是按亥伯龙神树实测高度建的模型，放在虚构树林中。任何地图、路牌和文字都不说明真树所在地。

最高树的称号也会改变。红杉冠顶常被风或雷击折断，再生后未必恢复原高。高树模型上有一根枯尖，表示树顶曾断过。

谁测量巨树

地面激光测距仪能估测树高，但很难瞄准最高枝梢。最可靠的方法是垂尺：爬到树顶，向地面垂下卷尺。亥伯龙神树 2006 年的 115.55 m 就这样确认；攀爬曾推迟，直到受保护海鸟斑海雀筑巢结束。

科学家沿固定绳索攀树，测量树干和树枝，采集叶片并测量水分。在红杉国家公园，攀树需要科研许可，也不允许飞无人机。展览中的攀树者用于说明尺度和方法，并非鼓励游客攀爬。

缩小体型

体型按钮改变视线高度。「松鼠」将视线放到离地约 12 cm，即道格拉斯松鼠的高度；地面球果变得像你的头那么大，树干变成红色悬崖。「甲虫」则降至约 1 cm。此时一粒种子和你一样高，枯针仿佛遍地倒木。行走速度也会随体型缩小。

模型与现实的差别

• 两片森林现实中相距约 700 km，气候不同。这里共用一座园区和同一片天空，由短路相连。
• 谢尔曼树干采用公园直径，但外扩且有沟脊的基部画成规则形状，体积比公园数值高约 11 %。
• 其他巨杉和红杉各由三种形状缩放而成，因此相邻树木较相似。
• 叶子画成团簇和枝叶束，而非独立的鳞状叶。
• 高红杉采用亥伯龙神树实测高度，但不复制树干、树冠或地点。
• 年轮剖面是宽度遵循简单规则的模型；真实年轮逐年变化更大。
• 火用三个阶段表示；真火的后果要多年才清楚，五年后的幼苗实际会更小、更零散。
• 面板水拉力采用纯重力值和 Koch 的海岸红杉正午拟合线；谢尔曼树是巨杉，不在该研究实测范围内。
• 楼房高度（每层 3.2 m）是假定值，恐龙长度是估计值，均有标明。

移动操作

电脑上用 W、A、S、D 或方向键行走，拖动视角，点击地面走到该处。Shift 加快速度。按 1 行走，2 攀爬最近的可爬树（谢尔曼树、格兰特树或高红杉），3 飞到林上 150 m。攀爬时 W 或 ▲ 向上，S 或 ▼ 向下，A 和 D 绕树干移动；「直达树顶」直接带你上去。

手机上左拇指行走，右侧转动视角，轻触地面前往。左上地图可点击或轻触前往任意地点。G 打开野外图鉴，T 打开挑战，F 打开隐藏发现，M 打开大地图，P 打开拍照模式，Z 切换体型。

挑战与隐藏发现

共有 13 项挑战。有些问题的答案就在场景里：四个巨物谁最高，叠多少人能到谢尔曼树顶，115.55 m 高的树需要多强吸力，树能长多高。其他要求实际操作：让种子落下，找到自己的年轮，爬到谢尔曼树和高红杉顶，穿过倒木，走进雾中。每完成一项会获得一颗星，保存在浏览器里。

共有 20 处隐藏发现：松鼠和咬下的球果堆、一粒种子周围的红圈、多年保持绿色的球果、甲虫蛀过的球果、活树中的洞穴、箔材包裹的树干、幼苗、带 10.3 m 管子的手泵、树木环、树瘤、雾滴水洼、高红杉上的断顶等。其中六张「其实……」卡片会纠正常见看法。野外图鉴有 72 个条目，涵盖树木、动物、火灾、地点及其他巨物，并标记已打开的条目。