ŪDENS POTENCIĀLS: KOMPONENTI, METODES UN PIEMĒRI - VIDE - 2025

Ūdens potenciāls ir bezmaksas enerģija vai spēj darīt darbu, kas ir noteiktu daudzumu ūdens. Tādējādi ūdenim, kas atrodas ūdenskrituma vai ūdenskrituma augšpusē, ir augsts ūdens potenciāls, kas, piemēram, spēj pārvietot turbīnu.

Simbols, kas tiek izmantots, lai norādītu uz ūdens potenciālu, ir grieķu lielais burts ar nosaukumu psi, kas rakstīts Ψ. Jebkuras sistēmas ūdens potenciālu mēra, ņemot vērā tīra ūdens ūdens potenciālu apstākļos, kurus uzskata par standartiem (1 atmosfēras spiediens un tāds pats pētāmās sistēmas augstums un temperatūra).

Osmotiskais potenciāls. Avots: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Faktori, kas nosaka ūdens potenciālu, ir gravitācija, temperatūra, spiediens, hidratācija un ūdenī esošo izšķīdušo vielu koncentrācija. Šie faktori nosaka ūdens potenciāla gradientu veidošanos, un šie gradienti veicina ūdens difūziju.

Tādā veidā ūdens pārvietojas no vietas ar lielu ūdens potenciālu uz citu ar zemu ūdens potenciālu. Hidriskā potenciāla sastāvdaļas ir osmotiskais potenciāls (izšķīdušo vielu koncentrācija ūdenī), matriciskais potenciāls (ūdens saķere ar porainām matricām), gravitācijas potenciāls un spiediena potenciāls.

Zināšanas par ūdens potenciālu ir būtiskas, lai izprastu dažādu hidroloģisko un bioloģisko parādību darbību. Tie ietver ūdens un barības vielu absorbciju augos un ūdens plūsmu augsnē.

Ūdens potenciāla komponenti

Ūdens potenciālu veido četri komponenti: osmotiskais potenciāls, matriciskais potenciāls, gravitācijas potenciāls un spiediena potenciāls. Šo komponentu darbība nosaka hidriskā potenciāla gradientu esamību.

Osmotiskais potenciāls (Ψs)

Parasti ūdens nav tīrā stāvoklī, jo tajā ir izšķīdušas cietas vielas (izšķīdušas vielas), piemēram, minerālsāļi. Osmotisko potenciālu nosaka izšķīdušo vielu koncentrācija šķīdumā.

Jo lielāks ir izšķīdušo izšķīdušo vielu daudzums, jo mazāk ūdens ir brīvas enerģijas, tas ir, mazāks ūdens potenciāls. Tāpēc ūdens mēģina izveidot līdzsvaru, plūstot no šķīdumiem ar mazu izšķīdušo vielu koncentrāciju uz šķīdumiem ar augstu izšķīdušo vielu koncentrāciju.

Matricas vai matricas potenciāls (Ψm)

Šajā gadījumā noteicošais faktors ir hidratējamas materiāla matricas vai struktūras klātbūtne, tas ir, tai ir afinitāte pret ūdeni. Tas ir saistīts ar adhēzijas spēkiem, kas izveidoti starp molekulām, īpaši ūdeņraža saitēm, kas veidojas starp ūdens molekulām, skābekļa atomiem un hidroksilgrupām (OH).

Piemēram, ūdens adhēzija ar augsnes mālajiem ir ūdens potenciāls, kas balstīts uz matricisko potenciālu. Šīs matricas, piesaistot ūdeni, rada pozitīvu ūdens potenciālu, tāpēc ūdens ārpus matricas plūst uz to un mēdz palikt iekšā, kā tas notiek sūklī.

Augstums vai gravitācijas potenciāls (Ψg)

Zemes gravitācijas spēks šajā gadījumā ir tas, kas nosaka potenciālo gradientu, jo ūdenim būs tendence krist uz leju. Ūdenim, kas atrodas noteiktā augstumā, ir brīva enerģija, ko nosaka pievilcība, ko Zeme ietekmē ar savu masu.

Ūdens kustība ar gravitācijas palīdzību. Avots: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Piemēram, paceltā ūdens tvertnē ūdens brīvi nokrīt cauruli un pārvietojas ar šo kinētisko (kustības) enerģiju, līdz tas sasniedz krānu.

Spiediena potenciāls (Ψp)

Šajā gadījumā spiediena ūdenim ir lielāka brīvā enerģija, tas ir, lielāks ūdens potenciāls. Tāpēc šis ūdens pārvietosies no vietas, kur tas atrodas zem spiediena, uz vietām, kur tas nav, un līdz ar to ir mazāk brīvas enerģijas (mazāks ūdens potenciāls).

Piemēram, kad mēs dozējam pilienus, izmantojot pilinātāju, nospiežot gumijas pogu, mēs veicam spiedienu, kas ūdenim piešķir enerģiju. Sakarā ar šo augstāko brīvo enerģiju ūdens pārvietojas uz ārpusi, kur spiediens ir zemāks.

Ūdens potenciāla noteikšanas metodes

Ūdens potenciāla mērīšanai ir dažādas metodes, dažas no tām ir piemērotas augsnei, citas audiem, mehāniskām hidrauliskām sistēmām un citas. Ūdens potenciāls ir ekvivalents spiediena vienībām, un to mēra atmosfērā, bāros, paskālos vai psi (angļu valodas mārciņas uz kvadrātcollu saīsinājumā).

Šeit ir dažas no šīm metodēm:

Scholander sūknis vai spiediena kamera

Ja vēlaties izmērīt augu lapas ūdens potenciālu, varat izmantot spiediena kameru vai Scholander sūkni. To veido hermētiska kamera, kurā ievieto visu lapu (lapu ar lapu kātiņu).

Lapas ar spiediena kameru ūdens potenciāla mērīšana. Avots: Pressurebomb.svg: Aibdeskalzoderivatīvs darbs: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Tad spiedienu kameras iekšpusē palielina, ievadot paaugstinātu spiedienu, ar manometru izmērot spiedienu, ko sasniedz. Gāzes spiediens uz lapu palielinās līdz vietai, kurā tajā esošais ūdens izplūst caur kātiņa asinsvadu audiem.

Manometra norādītais spiediens, kad ūdens atstāj lapu, atbilst lapas ūdens potenciālam.

Spiediena zondes

Ir vairākas alternatīvas ūdens potenciāla mērīšanai, izmantojot īpašus instrumentus, ko sauc par spiediena zondēm. Tie ir paredzēti, lai izmērītu augsnes ūdens potenciālu, galvenokārt pamatojoties uz matricu potenciālu.

Piemēram, ir digitālās zondes, kuru darbība balstās uz porainas keramikas matricas, kas savienota ar mitruma sensoru, ievadīšanu augsnē. Šī keramika tiek hidratēta ar ūdeni augsnes iekšienē, līdz tā sasniedz līdzsvaru starp ūdens potenciālu keramikas matricā un augsnes ūdens potenciālu.

Pēc tam sensors nosaka keramikas mitruma saturu un novērtē augsnes ūdens potenciālu.

Mikrokapilārs ar spiediena zondi

Ir arī zondes, kas spēj izmērīt ūdens potenciālu augu audos, piemēram, auga stublājā. Modelis sastāv no ļoti plānas, ar smalku galu caurulītes (mikropilāra caurulītes), ko ievieto audos.

Iekļūstot dzīvajos audos, šūnās esošais šķīdums seko potenciālajam gradientam, ko nosaka spiediens, kas atrodas stublājā, un to ievada mikropilē. Kad šķidrums no kāta nonāk caurulē, tas izspiež tajā esošo eļļu, kas aktivizē spiediena zondi vai manometru, kas piešķir vērtību, kas atbilst ūdens potenciālam

Svara vai tilpuma izmaiņas

Lai izmērītu ūdens potenciālu, pamatojoties uz osmotisko potenciālu, var noteikt šķīdumos iegremdētu audu svara variācijas dažādās izšķīdušās vielas koncentrācijās. Šim nolūkam sagatavo vairākas mēģenes, katra ar zināmu pieaugošu izšķīdušā vielas, piemēram, saharozes (cukura) koncentrāciju.

Citiem vārdiem sakot, ja katrā no 5 mēģenēm ir 10 cm3 ūdens, pirmajā mēģenē pievieno 1 mg saharozes, otrajā - 2 mg un pēdējā - līdz 5 mg. Tātad mums ir pieaugoša saharozes koncentrācija.

Pēc tam no audiem, kuru ūdens potenciāls ir jānosaka, izgriež 5 vienāda un zināma svara sadaļas (piemēram, kartupeļu gabaliņus). Tad katrā mēģenē ievieto sadaļu, un pēc 2 stundām audu sekcijas noņem un nosver.

Gaidāmie rezultāti un interpretācija

Paredzams, ka daži gabali zaudēs svaru, zaudējot ūdeni, citi būs ieguvuši svaru, jo tie absorbēja ūdeni, un vēl citi saglabās svaru.

Tie, kas zaudēja ūdeni, atradās šķīdumā, kurā saharozes koncentrācija bija lielāka par izšķīdušās vielas koncentrāciju audos. Tāpēc ūdens plūda atbilstoši osmotiskā potenciāla gradientam no augstākās koncentrācijas līdz zemākajai, un audi zaudēja ūdeni un svaru.

Turpretī audi, kas ieguva ūdeni un svaru, atradās šķīdumā ar zemāku saharozes koncentrāciju nekā izšķīdušo vielu koncentrācija audos. Šajā gadījumā osmotiskā potenciāla gradients deva priekšroku ūdens iekļūšanai audos.

Visbeidzot, tādā gadījumā, kad audi saglabāja sākotnējo svaru, tiek secināts, ka koncentrācijā, kurā tie tika atrasti, ir tāda pati izšķīdušās vielas koncentrācija. Tāpēc šī koncentrācija atbildīs izpētīto audu ūdens potenciālam.

Piemēri

Ūdens absorbcija augos

30 m garam kokam nepieciešams transportēt ūdeni no zemes līdz pēdējai lapai, un tas tiek darīts caur tā asinsvadu sistēmu. Šī sistēma ir specializēts auds, kas sastāv no šūnām, kas ir mirušas un izskatās kā ļoti plānas caurules.

Ūdens kustība augos. Avots: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Pārvadāšana ir iespējama, pateicoties ūdens potenciāla atšķirībām, kas rodas starp atmosfēru un lapu, kas savukārt tiek pārnesta uz asinsvadu sistēmu. Lapa zaudē ūdeni gāzveida stāvoklī, jo tajā ir augstāka ūdens tvaiku koncentrācija (lielāks ūdens potenciāls), salīdzinot ar vidi (zemāks ūdens potenciāls).

Tvaika zudums rada negatīvu spiedienu vai sūkšanu, kas piespiež ūdeni no asinsvadu sistēmas traukiem virzienā uz lapu asmeni. Šī sūkšana tiek pārvietota no kuģa uz trauku, līdz nonāk saknē, kur šūnas un starpšūnu telpas tiek absorbētas no augsnes absorbētā ūdens.

Ūdens, kas nāk no augsnes, iekļūst saknē atšķirīgu osmotisko potenciālu dēļ starp ūdeni saknes epidermas šūnās un augsnē. Tas notiek tāpēc, ka sakņu šūnās izšķīdušās vielas ir augstākās koncentrācijās nekā augsnes ūdenī.

Gliemeži

Daudzi augi sausā vidē saglabā ūdeni, iegūstot gļotādu (viskozu vielu), kas tiek glabāta vakuumā. Šīs molekulas aiztur ūdeni, samazinot tā brīvo enerģiju (zemu ūdens potenciālu), šajā gadījumā noteicošā ir ūdens potenciāla matrica sastāvdaļa.

Paaugstināta ūdens tvertne

Ūdens apgādes sistēmas gadījumā, kuras pamatā ir paaugstināta tvertne, spiediena potenciāla iedarbības dēļ to piepilda ar ūdeni. Uzņēmums, kas sniedz ūdens pakalpojumus, izdara spiedienu uz to, izmantojot hidrauliskos sūkņus, un tādējādi pārvar gravitācijas spēku, lai sasniegtu tvertni.

Kad tvertne ir pilna, ūdens tiek izdalīts no tās, pateicoties potenciālajai atšķirībai starp tvertnē uzkrāto ūdeni un mājas izplūdes vietām. Krāna atvēršana rada gravitācijas potenciāla gradientu starp ūdeni krānā un tvertni.

Tāpēc tvertnē esošajam ūdenim ir lielāka brīvā enerģija (lielāks ūdens potenciāls), un tas galvenokārt nokrīt gravitācijas spēka dēļ.

Ūdens difūzija augsnē

Augsnes ūdens potenciāla galvenā sastāvdaļa ir matricas potenciāls, ņemot vērā saķeres spēku, kas izveidots starp māliem un ūdeni. No otras puses, smaguma potenciāls ietekmē augsnes ūdens vertikālā pārvietojuma gradientu.

Daudzi procesi, kas notiek augsnē, ir atkarīgi no augsnē esošā ūdens brīvas enerģijas, tas ir, no tā ūdens potenciāla. Šie procesi ietver augu barošanu un transpirāciju, lietus ūdens infiltrāciju un ūdens iztvaikošanu no augsnes.

Lauksaimniecībā ir svarīgi noteikt augsnes ūdens potenciālu, lai pareizi piemērotu apūdeņošanu un mēslošanu. Ja augsnes potenciālais potenciāls ir ļoti augsts, ūdens paliks piestiprināts pie māliem un nebūs pieejams absorbcijai augos.

Atsauces

1. Busso, Kalifornijā (2008). Spiediena kameras un termopāra psihometru izmantošana hidrisko attiecību noteikšanai augu audos. YTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. un Martínez-Chacón, AJ (2012). Ūdens izmantošana, ūdens potenciāls un habanero piparu raža (C apsicum chinense J acq.). Žurnāls Fitotecnia Mexicana.
3. Solsberijs, FB un Ross, CW (1991). Augu fizioloģija. Wadsworth izdevniecība.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. un Hammel, H. (1965). Sap spiediens vaskulāros augos: Negatīvu hidrostatisko spiedienu var izmērīt augos. Zinātne.
5. Squeo, FA (2007). Ūdens un hidrotehniskais potenciāls. In: Squeo, FA un Cardemil, L. (Red.). Augu fizioloģija. La Serena universitātes izdevumi