水杉是乔木,高达35米,胸径达2.5米;树干基部常膨大;树皮灰色、灰褐色或暗灰色,幼树裂成薄片脱落,大树裂成长条状脱落,内皮淡紫褐色;枝斜展,小枝下垂,幼树树冠尖塔形,老树树冠广圆形,枝叶稀疏;一年生枝光滑无毛,幼时绿色,后渐变成淡褐色,二、三年生枝淡褐灰色或褐灰色;侧生小枝排成羽状,长4-15厘米,冬季凋落;主枝上的冬芽卵圆形或椭圆形,顶端钝,长约4毫米,径3毫米,芽鳞宽卵形,先端圆或钝,长宽几相等,约2-2.5毫米,边缘薄而色浅,背面有纵脊。叶条形,长0.8-3.5(常1.3-2)厘米,宽1-2.5(常1.5-2)毫米,上面淡绿色,下面色较淡,沿中脉有两条较边带稍宽的淡黄色气孔带,每带有4-8条气孔线,叶在侧生小枝上列成二列,羽状,冬季与枝一同脱落。
水杉球果下垂,近四棱状球形或矩圆状球形,成熟前绿色,熟时深褐色,长1.8-2.5厘米,径1.6-2.5厘米,梗长2-4厘米,其上有交对生的条形叶; 种鳞木质,盾形,通常11-12对,交叉对生,鳞顶扁菱形,中央有一条横槽,基部楔形,高7-9毫米,能育种鳞有5-9粒种子;种子扁平,倒卵形,间或圆形或矩圆形,周围有翅,先端有凹缺,长约5毫米,径4毫米;子叶2枚,条形,长1.1-1.3厘米,宽1.5-2毫米,两面中脉微隆起,上面有气孔线,下面无气孔线;初生叶条形,交叉对生,长1-1.8厘米,下面有气孔线。花期2月下旬,球果11月成熟。
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