POTENCJAŁ WODNY: SKŁADNIKI, METODY I PRZYKŁADY - ŚRODOWISKO - 2026

Potencjał woda jest wolna energia lub zdolny do wykonywania pracy, która ma pewną objętość wody. Zatem woda na szczycie wodospadu lub wodospadu ma duży potencjał wodny, który na przykład może poruszać turbinę.

Symbolem używanym w odniesieniu do potencjału wody jest duża grecka litera zwana psi, która jest zapisywana Ψ. Potencjał wodny dowolnego systemu jest mierzony w odniesieniu do potencjału wodnego czystej wody w warunkach uznanych za standardowe (ciśnienie 1 atmosfery oraz ta sama wysokość i temperatura badanej instalacji).

Potencjał osmotyczny. Źródło: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Czynnikami określającymi potencjał wody są grawitacja, temperatura, ciśnienie, uwodnienie i stężenie substancji rozpuszczonych w wodzie. Czynniki te determinują tworzenie się gradientów potencjału wody, a gradienty te napędzają dyfuzję wody.

W ten sposób woda przemieszcza się z miejsca o wysokim potencjale wodnym do innego o niskim potencjale wodnym. Składnikami potencjału wodnego są: potencjał osmotyczny (stężenie substancji rozpuszczonych w wodzie), potencjał matryczny (adhezja wody do porowatych matryc), potencjał grawitacyjny i potencjał ciśnieniowy.

Znajomość potencjału wody jest niezbędna do zrozumienia funkcjonowania różnych zjawisk hydrologicznych i biologicznych. Obejmują one wchłanianie wody i składników odżywczych przez rośliny oraz przepływ wody w glebie.

Składniki potencjału wodnego

Potencjał wody składa się z czterech składników: potencjału osmotycznego, potencjału materii, potencjału grawitacyjnego i potencjału ciśnienia. Działanie tych składników decyduje o istnieniu gradientów potencjału wody.

Potencjał osmotyczny (Ψs)

Zwykle woda nie jest w stanie czystym, ponieważ zawiera rozpuszczone w niej ciała stałe (substancje rozpuszczone), takie jak sole mineralne. Potencjał osmotyczny jest określony przez stężenie substancji rozpuszczonych w roztworze.

Im większa ilość rozpuszczonych substancji rozpuszczonych, tym mniej energii swobodnej wody, czyli mniejszy potencjał wodny. Dlatego woda próbuje ustalić równowagę, przepływając z roztworów o niskim stężeniu substancji rozpuszczonych do roztworów o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonych.

Potencjał matrycowy lub matrycowy (Ψm)

W tym przypadku decydującym czynnikiem jest obecność uwadniającej się matrycy lub struktury materiału, to znaczy ma powinowactwo do wody. Wynika to z sił adhezji tworzonych między cząsteczkami, zwłaszcza wiązań wodorowych utworzonych między cząsteczkami wody, atomami tlenu i grupami hydroksylowymi (OH).

Na przykład adhezja wody do iłów glebowych jest przypadkiem potencjału wodnego opartego na potencjale matrycznym. Macierze te, przyciągając wodę, generują dodatni potencjał wodny, dlatego woda na zewnątrz matrycy płynie w jej kierunku i ma tendencję do pozostawania w środku, jak to ma miejsce w gąbce.

Wysokość lub potencjał grawitacyjny (Ψg)

Siła grawitacyjna Ziemi jest w tym przypadku tą, która ustala gradient potencjału, ponieważ woda będzie miała tendencję do opadania w dół. Woda znajdująca się na określonej wysokości ma darmową energię określoną przez przyciąganie, jakie Ziemia wywiera na swoją masę.

Ruch wody pod wpływem grawitacji. Źródło: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Na przykład woda w podniesionym zbiorniku wody swobodnie spada w dół rury i przemieszcza się z tą energią kinetyczną (ruchu), aż dotrze do kranu.

Potencjał ciśnienia (Ψp)

W tym przypadku woda pod ciśnieniem ma większą energię swobodną, ​​czyli większy potencjał wodny. Dlatego woda ta będzie przemieszczać się z miejsca, w którym jest pod ciśnieniem, tam, gdzie jej nie ma, a co za tym idzie, jest mniej darmowej energii (mniejszy potencjał wodny).

Na przykład, kiedy dozujemy krople za pomocą zakraplacza, naciskając gumową gałkę przykładamy ciśnienie, które dodaje energii wodzie. Dzięki tej wyższej energii swobodnej woda wypływa na zewnątrz, gdzie ciśnienie jest niższe.

Metody określania potencjału wodnego

Istnieje wiele metod pomiaru potencjału wody, niektóre są odpowiednie dla gleby, inne dla tkanek, dla mechanicznych układów hydraulicznych i inne. Potencjał wody jest równoważny jednostkom ciśnienia i jest mierzony w atmosferach, barach, paskalach lub psi (funty na cal kwadratowy w akronimie w języku angielskim).

Oto kilka z tych metod:

Scholander Pump lub komora ciśnieniowa

Jeśli chcesz zmierzyć potencjał wodny liścia rośliny, możesz użyć komory ciśnieniowej lub pompy Scholander. Składa się z hermetycznej komory, w której umieszczony jest cały liść (arkusz z ogonkiem).

Pomiar potencjału wodnego skrzydła z komorą ciśnieniową. Źródło: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Następnie ciśnienie wewnątrz komory zwiększa się poprzez wprowadzenie sprężonego gazu, mierząc ciśnienie, które jest osiągane za pomocą manometru. Ciśnienie gazu na liściu rośnie, do tego stopnia, że ​​zawarta w nim woda wypływa przez tkankę naczyniową ogonka.

Ciśnienie wskazywane przez manometr, gdy woda opuszcza liść, odpowiada potencjałowi wody liścia.

Sondy ciśnieniowe

Istnieje kilka metod pomiaru potencjału wody za pomocą specjalnych przyrządów zwanych sondami ciśnieniowymi. Przeznaczone są do pomiaru potencjału wodnego gleby, głównie w oparciu o potencjał materii.

Na przykład istnieją sondy cyfrowe, które działają na zasadzie wprowadzenia do gleby porowatej matrycy ceramicznej połączonej z czujnikiem wilgotności. Ta ceramika jest uwadniana wraz z wodą znajdującą się w glebie, aż do osiągnięcia równowagi między potencjałem wody w macierzy ceramicznej a potencjałem wodnym gleby.

Następnie czujnik określa wilgotność ceramiki i szacuje potencjał wodny gruntu.

Mikrokapilara z sondą ciśnieniową

Istnieją również sondy do pomiaru potencjału wody w tkankach roślin, takich jak łodyga rośliny. Model składa się z bardzo cienkiej rurki z cienką końcówką (rurki mikropilarnej), którą wprowadza się do tkanki.

Po przeniknięciu do żywej tkanki roztwór zawarty w komórkach podąża za gradientem potencjałów określonym przez ciśnienie zawarte w łodydze i jest wprowadzany do mikropylu. Gdy ciecz z trzpienia wpadnie do rurki, wypycha zawarty w niej olej, który aktywuje sondę ciśnieniową lub manometr, który przypisuje wartość odpowiadającą potencjałowi wody

Różnice w wadze lub objętości

Aby zmierzyć potencjał wody w oparciu o potencjał osmotyczny, można określić zmiany masy tkanki zanurzonej w roztworach o różnych stężeniach substancji rozpuszczonej. W tym celu przygotowuje się serię probówek, każda ze znanym rosnącym stężeniem substancji rozpuszczonej, na przykład sacharozy (cukru).

Innymi słowy, jeśli w każdej z 5 probówek znajduje się 10 cm3 wody, do pierwszej dodaje się 1 mg sacharozy, do drugiej 2 mg, a więc do 5 mg w ostatniej. Mamy więc rosnącą baterię stężeń sacharozy.

Następnie z tkanki, której potencjał wodny ma zostać określony (np. Kawałki ziemniaków) wycina się 5 odcinków o jednakowej i znanej wadze. Następnie w każdej probówce umieszcza się wycinek i po 2 godzinach wycinki tkanki usuwa się i waży.

Oczekiwane wyniki i interpretacja

Oczekuje się, że niektóre kawałki stracą na wadze z powodu utraty wody, inne przybierają na wadze, ponieważ wchłonęły wodę, a jeszcze inne utrzymają wagę.

Te, które utraciły wodę, znajdowały się w roztworze, w którym stężenie sacharozy było większe niż stężenie substancji rozpuszczonej w tkance. Dlatego woda płynęła zgodnie z gradientem potencjału osmotycznego od najwyższego do najniższego stężenia, a tkanka straciła wodę i wagę.

Natomiast tkanka, która nabrała wody i masy, znajdowała się w roztworze o niższym stężeniu sacharozy niż stężenie substancji rozpuszczonych w tkance. W tym przypadku gradient potencjału osmotycznego sprzyjał przenikaniu wody do tkanki.

Wreszcie w tym przypadku, w którym tkanka zachowała swoją pierwotną wagę, wywnioskowano, że stężenie, w którym została znaleziona, ma takie samo stężenie substancji rozpuszczonej. Dlatego to stężenie będzie odpowiadać potencjałowi wody badanej tkanki.

Przykłady

Absorpcja wody przez rośliny

Drzewo o wysokości 30 m musi transportować wodę z ziemi do ostatniego liścia, a odbywa się to poprzez układ naczyniowy. Ten system to wyspecjalizowana tkanka złożona z martwych komórek, które wyglądają jak bardzo cienkie rurki.

Ruch wody w roślinach. Źródło: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport jest możliwy dzięki różnicom w potencjale wody, który jest generowany między atmosferą a liściem, który z kolei jest przekazywany do układu naczyniowego. Liść traci wodę w stanie gazowym ze względu na wyższe stężenie w nim pary wodnej (wyższy potencjał wodny) w porównaniu z otoczeniem (niższy potencjał wodny).

Utrata pary wytwarza podciśnienie lub zasysanie, które wypycha wodę z naczyń układu naczyniowego w kierunku blaszki liściowej. Ssanie to jest przenoszone z naczynia do naczynia, aż do korzenia, gdzie komórki i przestrzenie międzykomórkowe są wchłaniane wodą wchłoniętą z gleby.

Woda pochodząca z gleby przenika do korzenia ze względu na różnicę potencjału osmotycznego między wodą w komórkach naskórka korzenia a wodą w glebie. Dzieje się tak, ponieważ komórki korzeni mają substancje rozpuszczone w wyższych stężeniach niż woda glebowa.

Śluzy

Wiele roślin w suchym środowisku zatrzymuje wodę, wytwarzając śluz (lepką substancję), który jest przechowywany w ich wakuolach. Cząsteczki te zatrzymują wodę, zmniejszając jej energię swobodną (niski potencjał wody), w tym przypadku decydujący jest składnik materii potencjału wody.

Podwyższony zbiornik na wodę

W przypadku instalacji wodociągowej opartej na zbiorniku podwyższonym jest on napełniany wodą ze względu na wpływ potencjału ciśnieniowego. Firma, która dostarcza wodę, wywiera na nią nacisk za pomocą pomp hydraulicznych i pokonuje w ten sposób siłę grawitacji, aby dotrzeć do zbiornika.

Gdy zbiornik jest pełny, woda jest z niego rozprowadzana dzięki potencjalnej różnicy między wodą zmagazynowaną w zbiorniku a ujściami wody w domu. Otwarcie kranu tworzy grawitacyjny gradient potencjału między wodą w kranie a zbiornikiem.

Dlatego woda w zbiorniku ma wyższą energię swobodną (wyższy potencjał wody) i opada głównie pod wpływem siły grawitacji.

Dyfuzja wody w glebie

Głównym składnikiem potencjału wodnego gleby jest potencjał materii, biorąc pod uwagę siłę adhezji, która jest ustalona między iłami a wodą. Z drugiej strony potencjał grawitacji wpływa na pionowy gradient wypierania wody w glebie.

Wiele procesów zachodzących w glebie zależy od energii swobodnej wody zawartej w glebie, czyli od jej potencjału wodnego. Procesy te obejmują odżywianie i transpirację roślin, infiltrację wody deszczowej i odparowywanie wody z gleby.

W rolnictwie ważne jest określenie potencjału wodnego gleby w celu prawidłowego nawadniania i nawożenia. Jeśli potencjał materii gleby jest bardzo wysoki, woda pozostanie przyczepiona do glin i nie będzie dostępna do wchłaniania przez rośliny.

Bibliografia

1. Busso, Kalifornia (2008). Zastosowanie psychrometrów z komorą ciśnieniową i termoparą do wyznaczania stosunków wodnych w tkankach roślinnych. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. and Martínez-Chacón, AJ (2012). Zużycie wody, potencjał wodny i wydajność papryki habanero (C apsicum chinense J acq.). Magazyn Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB i Ross, CW (1991). Fizjologia roślin. Wydawnictwo Wadsworth.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. and Hammel, H. (1965). Ciśnienie soku w roślinach naczyniowych: Ujemne ciśnienie hydrostatyczne można mierzyć w roślinach. Nauka.
5. Squeo, FA (2007). Potencjał wodny i wodny. W: Squeo, FA i Cardemil, L. (red.). Fizjologia roślin. Wydania University of La Serena