VANDENS POTENCIALAS: KOMPONENTAI, METODAI IR PAVYZDŽIAI - APLINKA - 2025

Vandens potencialas yra nemokama energija arba gali dirbti darbą, kuris turi tam tikrą kiekį vandens. Taigi krioklio ar krioklio viršuje esantis vanduo turi didelį vandens potencialą, kuris, pavyzdžiui, gali judėti turbina.

Simbolis, naudojamas vandens potencialui nurodyti, yra graikiška raidė psi, vadinama psi, parašyta Ψ. Bet kurios sistemos vandens potencialas matuojamas atsižvelgiant į gryno vandens vandens potencialą standartinėmis sąlygomis (1 atmosferos slėgis ir tas pats tiriamos sistemos aukštis bei temperatūra).

Osmosinis potencialas. Šaltinis: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Vandens potencialą lemiantys veiksniai yra sunkis, temperatūra, slėgis, hidratacija ir vandenyje esančių tirpiųjų medžiagų koncentracija. Šie veiksniai lemia vandens potencialo gradientų formavimąsi ir šie gradientai skatina vandens difuziją.

Tokiu būdu vanduo juda iš aikštelės, kurioje yra didelis vandens potencialas, į kitą, kurioje yra mažai vandens potencialo. Vandens potencialo sudedamosios dalys yra osmosinis potencialas (tirpių medžiagų koncentracija vandenyje), matricinis potencialas (vandens sukibimas su porėtomis matricomis), gravitacinis potencialas ir slėgio potencialas.

Norint suprasti įvairių hidrologinių ir biologinių reiškinių veikimą, būtina žinoti vandens potencialą. Tai apima vandens ir maistinių medžiagų įsisavinimą iš augalų ir vandens tekėjimą dirvožemyje.

Vandens potencialo komponentai

Vandens potencialą sudaro keturi komponentai: osmosinis, matricinis, gravitacinis ir slėginis. Šių komponentų veikimas lemia hidrinio potencialo gradientų buvimą.

Osmosinis potencialas (Ψs)

Paprastai vanduo nėra grynos būsenos, nes jame yra ištirpusių kietų medžiagų (tirpių medžiagų), tokių kaip mineralinės druskos. Osmosinį potencialą parodo tirpių medžiagų koncentracija tirpale.

Kuo didesnis ištirpusių tirpių medžiagų kiekis, tuo mažiau laisvos vandens energijos, ty mažiau vandens galimybių. Todėl vanduo bando sukurti pusiausvyrą tekėdamas iš tirpalų su maža tirpių koncentracija į tirpalus, kuriuose yra aukšta tirpių koncentracija.

Matricos ar matricos potencialas (Ψm)

Šiuo atveju lemiamas veiksnys yra hidratuojamos medžiagos matricos ar struktūros buvimas, tai yra, ji turi afinitetą vandeniui. Taip yra dėl sukibimo jėgų, sukuriamų tarp molekulių, ypač vandenilio jungčių, susiformavusių tarp vandens molekulių, deguonies atomų ir hidroksilo (OH) grupių.

Pvz., Vandens sukibimas su dirvožemiu yra vandens potencialas, pagrįstas matriciniu potencialu. Šios matricos, pritraukdamos vandenį, sukuria teigiamą vandens potencialą, todėl vanduo, esantis už matricos, teka link jo ir yra linkęs likti viduje, kaip tai vyksta kempine.

Aukštis arba gravitacinis potencialas (Ψg)

Žemės gravitacinė jėga šiuo atveju yra ta, kuri nustato galimą nuolydį, nes vanduo bus linkęs kristi žemyn. Vanduo, esantis tam tikrame aukštyje, turi laisvą energiją, kurią lemia patrauklumas, kurį Žemė daro savo masei.

Vandens judėjimas sunkio jėgos dėka. Šaltinis: „Bilal ahmad“ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Pavyzdžiui, vanduo iškilusiame vandens rezervuare laisvai krinta žemyn vamzdžiu ir su ta kinetine (judesio) energija keliauja tol, kol pasiekia čiaupą.

Slėgio potencialas (Ψp)

Tokiu atveju slėgis vanduo turi daugiau laisvos energijos, tai yra, didesnį vandens potencialą. Todėl šis vanduo judės iš ten, kur jam daromas slėgis, ten, kur jo nėra, todėl yra mažiau laisvos energijos (mažesnis vandens potencialas).

Pvz., Kai dozuojame lašus naudodami lašintuvą, kai paspaudžiame guminę rankenėlę, mes darome slėgį, kuris suteikia energijai vandens. Dėl šios didesnės laisvosios energijos vanduo juda į išorę, kur slėgis yra mažesnis.

Vandens potencialo nustatymo metodai

Vandens potencialo matavimo metodai yra įvairūs, vieni tinkami dirvožemiui, kiti audiniams, mechaninėms hidraulinėms sistemoms ir kiti. Vandens potencialas yra lygus slėgio vienetams ir matuojamas atmosferoje, baruose, paskaluose arba psi (angliškai santrumpa yra svaras kvadratiniame colyje).

Štai keletas iš šių metodų:

Scholander siurblys arba slėgio kamera

Jei norite išmatuoti augalo lapo vandens potencialą, galite naudoti slėgio kamerą arba Scholander siurblį. Jį sudaro hermetiška kamera, kurioje dedamas visas lapas (lapas su žieve).

Lapo vandens slėgio matavimas slėgio kameroje. Šaltinis: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative kūrinys: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Tada slėgis kameros viduje padidinamas įleidžiant suslėgtas dujas, manometru išmatuojant slėgį, kurį galima pasiekti. Dujų slėgis ant lapo didėja iki taško, iš kurio jame esantis vanduo išeina per žiedkočio kraujagysles.

Manometro nurodytas slėgis, kai vanduo palieka lapą, atitinka lapo vandens potencialą.

Slėgio zondai

Yra keletas alternatyvų, kaip išmatuoti vandens potencialą naudojant specialius prietaisus, vadinamus slėgio davikliais. Jie skirti išmatuoti dirvožemio vandens potencialą, daugiausia remiantis matriciniu potencialu.

Pavyzdžiui, yra skaitmeninių zondų, kurie veikia į dirvožemį įvesdami porėtą keraminę matricą, sujungtą su drėgmės jutikliu. Ši keramika hidratuojama dirvožemio vandenyje, kol pasiekia vandens potencialo, esančio keramikos matricoje, ir dirvožemio vandens potencialo pusiausvyrą.

Vėliau jutiklis nustato keramikos drėgmės kiekį ir įvertina dirvožemio vandens potencialą.

Mikrokapiliaras su slėgio zondu

Taip pat yra zondai, galintys išmatuoti vandens potencialą augalų audiniuose, tokiuose kaip augalo stiebas. Modelį sudaro labai plonas vamzdelis su smailiu galu (mikropilo vamzdelis), kuris įkišamas į audinį.

Įsiskverbęs į gyvą audinį, ląstelėse esantis tirpalas seka potencialų gradientą, kurį apibūdina kamiene esantis slėgis, ir įvedamas į mikropile. Kai skystis iš koto patenka į vamzdelį, jis išstumia jame esantį aliejų, kuris suaktyvina slėgio zondą ar manometrą, priskiriantį vandens potencialą atitinkančią vertę

Svorio ar tūrio pokyčiai

Vandens potencialui išmatuoti pagal osmosinį potencialą galima nustatyti audinio, panardinto į tirpalus, esant skirtingoms tirpios medžiagos koncentracijoms, svorio pokyčius. Tam paruošiama mėginių mėgintuvėlių serija, kurių kiekvienoje yra padidėjusi tirpios medžiagos, pavyzdžiui, sacharozės (cukraus), koncentracija.

Kitaip tariant, jei kiekviename iš 5 mėgintuvėlių yra 10 cc vandens, į pirmąjį mėgintuvėlį įpilama 1 mg sacharozės, antrame - 2 mg, o paskutiniame - iki 5 mg. Taigi sacharozės koncentracija didėja.

Tada iš audinio, kurio vandens potencialą reikia nustatyti, išpjaunamos 5 vienodo ir žinomo svorio dalys (pavyzdžiui, bulvių gabaliukai). Tada į kiekvieną mėgintuvėlį įdedama dalis, o po 2 valandų audinio dalys pašalinamos ir pasveriamos.

Laukiami rezultatai ir jų aiškinimas

Tikimasi, kad kai kurie gabalėliai numes svorio netekę vandens, kiti priaugs svorio, nes jie sugerė vandenį, o dar kiti išlaikys svorį.

Tie, kurie prarado vandenį, buvo tirpale, kuriame sacharozės koncentracija buvo didesnė už tirpios medžiagos koncentraciją audinyje. Todėl vanduo tekėjo pagal osmosinio potencialo gradientą nuo didžiausios koncentracijos iki žemiausios, o audinys prarado vandenį ir svorį.

Priešingai, vanduo ir svoris padidėjęs audinys buvo tirpale, kuriame sacharozės koncentracija buvo mažesnė nei tirpiųjų medžiagų koncentracija audinyje. Šiuo atveju osmosinis potencialo gradientas buvo palankesnis vandens patekimui į audinį.

Galiausiai tuo atveju, kai audinys išlaikė savo pradinį svorį, daroma išvada, kad koncentracija, kurioje jis buvo rastas, buvo tokia pati ištirpusios medžiagos koncentracija. Todėl ši koncentracija atitiks tiriamo audinio vandens potencialą.

Pavyzdžiai

Vandens absorbcija augalams

30 m aukščio medžiui reikia pernešti vandenį nuo žemės paviršiaus iki paskutinio lapo, ir tai daroma per jo kraujagyslių sistemą. Ši sistema yra specializuotas audinys, sudarytas iš negyvų ląstelių, kurios atrodo kaip labai ploni vamzdeliai.

Vandens judėjimas augaluose. Šaltinis: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transportuoti įmanoma dėl skirtingo vandens potencialo, kuris susidaro tarp atmosferos ir lapo, kuris savo ruožtu perduodamas į kraujagyslių sistemą. Lapas praranda vandenį dujinėje būsenoje dėl didesnės vandens garų koncentracijos jame (didesnis vandens potencialas), palyginti su aplinka (mažesnis vandens potencialas).

Garų praradimas sukelia neigiamą slėgį arba išsiurbimą, kuris verčia vandenį iš kraujagyslių sistemos indų link lapo ašmenų. Šis išsiurbimas perduodamas iš indo į indą, kol pasiekia šaknį, kur ląstelės ir tarpląstelinės erdvės yra absorbuotos iš dirvožemio absorbuoto vandens.

Iš dirvožemio patenkantis vanduo prasiskverbia pro šaknis, nes vanduo skiriasi šaknies epidermio ląstelėse ir dirvožemyje. Taip nutinka todėl, kad šaknies ląstelėse yra daugiau tirpių nei dirvožemio vandenyje.

Gleivės

Daugelis sausoje aplinkoje esančių augalų sulaiko vandenį, gamindami gleives (klampias medžiagas), kurios laikomos vakuumuose. Šios molekulės sulaiko vandenį, sumažindamos laisvą jo energiją (mažą vandens potencialą), šiuo atveju lemiamas yra vandens potencialo matricinis komponentas.

Padidėjęs vandens bakas

Jei vandens tiekimo sistema yra paremta padidintu rezervuaru, ji pati yra užpildyta vandeniu dėl slėgio potencialo įtakos. Vandens paslaugas teikianti įmonė daro spaudimą naudodama hidraulinius siurblius ir taip įveikia sunkio jėgą, kad pasiektų baką.

Kai rezervuaras yra pilnas, vanduo iš jo pasiskirsto, nes gali skirtis rezervuare esantis vanduo ir namo išleidimo angos. Atidarius čiaupą, nustatomas gravitacinis potencialo gradientas tarp vandens iš čiaupo ir bako.

Todėl vanduo rezervuare turi daugiau laisvosios energijos (didesnis vandens potencialas) ir krinta daugiausia dėl gravitacijos jėgos.

Vandens difuzija dirvožemyje

Pagrindinis dirvožemio vandens potencialo komponentas yra matricinis potencialas, atsižvelgiant į sukibimo jėgą, nustatytą tarp molio ir vandens. Kita vertus, gravitacijos potencialas turi įtakos vandens vertikaliojo poslinkio gradientui dirvožemyje.

Daugelis procesų, vykstančių dirvožemyje, priklauso nuo dirvožemyje esančio vandens laisvosios energijos, tai yra nuo jo vandens potencialo. Šie procesai apima augalų mitybą ir transpiraciją, lietaus vandens įsiskverbimą ir vandens išgarinimą iš dirvožemio.

Norint tinkamai laistyti ir tręšti, žemės ūkyje svarbu nustatyti dirvožemio vandens potencialą. Jei dirvos potencialas yra labai didelis, vanduo liks prisitvirtinęs prie molio ir jo nebus galima absorbuoti augalams.

Nuorodos

1. Busso, Kalifornija (2008). Slėgio kameros ir termoporų psichometrų panaudojimas nustatant hidrinius ryšius augalų audiniuose. TONYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. ir Martínez-Chacón, AJ (2012). Vandens sunaudojimas, vandens potencialas ir habanero pipirų išeiga (C apsicum chinense J acq.). Žurnalas „Fitotecnia Mexicana“.
3. Salisbury, FB ir Ross, CW (1991). Augalų fiziologija. „Wadsworth“ leidyba.
4. Scholanderis, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. ir Hammel, H. (1965). Sap slėgis kraujagysliniuose augaluose: Neigiamą hidrostatinį slėgį galima išmatuoti augaluose. Mokslas.
5. Squeo, FA (2007). Vandens ir vandenilio potencialas. In: Squeo, FA ir Cardemil, L. (Eds.). Augalų fiziologija. La Serenos universiteto leidiniai