ВОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ: КОМПОНЕНТЫ, МЕТОДЫ И ПРИМЕРЫ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2026

Потенциал воды свободная энергия или не способен выполнять работу, которая имеет определенный объем воды. Таким образом, вода на вершине водопада или водопада имеет высокий водный потенциал, который, например, способен приводить в движение турбину.

Символ, который используется для обозначения водного потенциала, - это заглавная греческая буква psi, которая пишется Ψ. Водный потенциал любой системы измеряется относительно водного потенциала чистой воды в условиях, считающихся стандартными (давление 1 атмосфера, высота и температура исследуемой системы).

Осмотический потенциал. Источник: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Факторами, определяющими водный потенциал, являются сила тяжести, температура, давление, гидратация и концентрация растворенных веществ, присутствующих в воде. Эти факторы определяют формирование градиентов водного потенциала, и эти градиенты управляют диффузией воды.

Таким образом, вода перемещается с участка с высоким потенциалом воды на другой с низким потенциалом воды. Компонентами водного потенциала являются осмотический потенциал (концентрация растворенных веществ в воде), матричный потенциал (адгезия воды к пористым матрицам), гравитационный потенциал и потенциал давления.

Знание водного потенциала необходимо для понимания функционирования различных гидрологических и биологических явлений. К ним относятся поглощение воды и питательных веществ растениями и поток воды в почве.

Компоненты водного потенциала

Водный потенциал состоит из четырех компонентов: осмотического потенциала, матричного потенциала, гравитационного потенциала и потенциала давления. Действие этих компонентов определяет наличие градиентов водного потенциала.

Осмотический потенциал (Ψs)

Обычно вода не в чистом виде, поскольку в ней есть растворенные твердые вещества (растворенные вещества), такие как минеральные соли. Осмотический потенциал определяется концентрацией растворенных веществ в растворе.

Чем выше количество растворенных веществ, тем меньше свободной энергии воды, то есть меньше водный потенциал. Следовательно, вода пытается установить равновесие, перетекая из растворов с низкой концентрацией растворенных веществ в растворы с высокой концентрацией растворенных веществ.

Матричный или матричный потенциал (m)

В этом случае определяющим фактором является наличие матрицы или структуры гидратируемого материала, то есть он имеет сродство к воде. Это происходит из-за сил адгезии, создаваемых между молекулами, особенно водородных связей, образованных между молекулами воды, атомами кислорода и гидроксильными (ОН) группами.

Например, адгезия воды к почвенным глинам - это случай водного потенциала, основанного на матричном потенциале. Эти матрицы, притягивая воду, создают положительный водный потенциал, поэтому вода за пределами матрицы течет к ней и имеет тенденцию оставаться внутри, как это происходит в губке.

Высота или гравитационный потенциал (Ψg)

В этом случае сила притяжения Земли определяет градиент потенциала, поскольку вода будет стремиться падать вниз. Вода, расположенная на определенной высоте, имеет свободную энергию, определяемую притяжением, которое Земля оказывает на ее массу.

Движение воды под действием силы тяжести. Источник: Билал Ахмад / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Например, вода в поднятом резервуаре для воды свободно падает по трубе и перемещается с этой кинетической энергией (движением), пока не достигнет крана.

Потенциал давления (Ψp)

В этом случае вода под давлением имеет большую свободную энергию, то есть больший водный потенциал. Следовательно, эта вода переместится из того места, где она находится под давлением, туда, где его нет, и, следовательно, будет меньше свободной энергии (меньший водный потенциал).

Например, когда мы дозируем капли с помощью пипетки, нажимая на резиновую ручку, мы оказываем давление, которое дает энергию воде. Из-за этой более высокой свободной энергии вода движется наружу, где давление ниже.

Методы определения водного потенциала

Существует множество методов измерения водного потенциала, одни из которых подходят для почвы, другие - для тканей, для механических гидравлических систем и другие. Водный потенциал эквивалентен единицам давления и измеряется в атмосферах, барах, паскалях или фунтах на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм в английской аббревиатуре).

Вот некоторые из этих методов:

Насос Шоландера или напорная камера

Если вы хотите измерить водный потенциал листа растения, вы можете использовать напорную камеру или насос Шоландера. Он состоит из герметичной камеры, в которую помещается весь лист (лист с черешком).

Измерение водного потенциала листа барокамерой. Источник: Pressurebomb.svg: Aibdescalz, производная работа: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Затем давление внутри камеры повышают за счет подачи сжатого газа, измеряя давление, которое достигается с помощью манометра. Давление газа на лист увеличивается до такой степени, что вода, содержащаяся в нем, вырывается через сосудистую ткань черешка.

Давление, показываемое манометром, когда вода покидает лист, соответствует водному потенциалу листа.

Датчики давления

Есть несколько альтернатив для измерения водного потенциала с помощью специальных инструментов, называемых датчиками давления. Они предназначены для измерения водного потенциала почвы, основанного в основном на матричном потенциале.

Например, есть цифровые датчики, которые работают на основе введения в почву пористой керамической матрицы, подключенной к датчику влажности. Эта керамика увлажняется водой внутри почвы до тех пор, пока не будет достигнут баланс между водным потенциалом в керамической матрице и водным потенциалом почвы.

Затем датчик определяет влажность керамики и оценивает водный потенциал почвы.

Микрокапилляр с датчиком давления

Существуют также зонды, способные измерять водный потенциал в тканях растений, таких как стебель растения. Модель состоит из очень тонкой трубки с тонким наконечником (микропиллярной трубки), которая вводится в ткань.

Проникая в живую ткань, раствор, содержащийся в клетках, следует градиенту потенциала, определяемому давлением, содержащимся в стержне, и вводится в микропиле. Когда жидкость из штока попадает в трубку, она выталкивает содержащееся в ней масло, которое активирует датчик давления или манометр, который устанавливает значение, соответствующее потенциалу воды.

Вариации веса или объема

Чтобы измерить водный потенциал на основе осмотического потенциала, можно определить вариации веса ткани, погруженной в растворы с различными концентрациями растворенного вещества. Для этого готовят серию пробирок, каждая с известной возрастающей концентрацией растворенного вещества, например сахарозы (сахара).

То есть, если в каждой из 5 пробирок по 10 см3 воды, в первую пробирку добавляют 1 мг сахарозы, во вторую - 2 мг, а в последнюю - до 5 мг. Итак, у нас есть возрастающая батарея концентраций сахарозы.

Затем из ткани, водный потенциал которой необходимо определить, вырезают 5 кусков равного известного веса (например, кусочки картофеля). Затем в каждую пробирку помещают срез, и через 2 часа срезы ткани удаляют и взвешивают.

Ожидаемые результаты и интерпретация

Ожидается, что одни предметы похудеют из-за потери воды, другие наберут вес, потому что впитали воду, а третьи сохранят вес.

Те, кто потеряли воду, находились в растворе, где концентрация сахарозы была больше, чем концентрация растворенного вещества в ткани. Следовательно, вода текла в соответствии с градиентом осмотического потенциала от самой высокой концентрации до самой низкой, и ткань теряла воду и вес.

Напротив, ткань, которая набрала воду и вес, была в растворе с более низкой концентрацией сахарозы, чем концентрация растворенных веществ в ткани. В этом случае градиент осмотического потенциала благоприятствовал проникновению воды в ткань.

Наконец, в том случае, когда ткань сохранила свой первоначальный вес, делается вывод, что концентрация, в которой она была обнаружена, имеет такую ​​же концентрацию растворенного вещества. Следовательно, эта концентрация будет соответствовать водному потенциалу исследуемой ткани.

Примеры

Поглощение воды растениями

Дерево высотой 30 м должно транспортировать воду от земли до последнего листа, и это осуществляется через его сосудистую систему. Эта система представляет собой специализированную ткань, состоящую из мертвых клеток, которые выглядят как очень тонкие трубки.

Движение воды в растениях. Источник: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Перенос возможен благодаря разнице в водном потенциале, который создается между атмосферой и листом, который, в свою очередь, передается в сосудистую систему. Лист теряет воду в газообразном состоянии из-за более высокой концентрации в нем водяного пара (более высокий водный потенциал) по сравнению с окружающей средой (более низкий водный потенциал).

Потеря пара создает отрицательное давление или всасывание, которое выталкивает воду из сосудов сосудистой системы к пластинке листа. Это всасывание передается от сосуда к сосуду до тех пор, пока не достигает корня, где клетки и межклеточные пространства впитываются водой, поглощенной из почвы.

Вода, поступающая из почвы, проникает в корень из-за разницы в осмотическом потенциале между водой в клетках эпидермиса корня и в почве. Это происходит потому, что в клетках корней растворенные вещества выше, чем в почвенной воде.

Слизи

Многие растения в засушливой среде удерживают воду, производя слизь (вязкое вещество), которая хранится в их вакуолях. Эти молекулы удерживают воду, уменьшая ее свободную энергию (низкий водный потенциал), в этом случае решающим является матричный компонент водного потенциала.

Подъемный резервуар для воды

В случае системы водоснабжения на основе приподнятого резервуара он заполняется водой из-за действия потенциала давления. Компания, предоставляющая услуги водоснабжения, оказывает давление на нее с помощью гидравлических насосов и таким образом преодолевает силу тяжести, чтобы добраться до резервуара.

Когда бак наполняется, вода распределяется из него благодаря разнице потенциалов между водой, хранящейся в баке, и выходами воды в доме. Открытие крана устанавливает градиент гравитационного потенциала между водой в кране и водой в баке.

Следовательно, вода в резервуаре имеет более высокую свободную энергию (более высокий водный потенциал) и падает, в основном, под действием силы тяжести.

Распространение воды в почве

Основным компонентом водного потенциала почвы является матричный потенциал, учитывая силу сцепления, которая устанавливается между глинами и водой. С другой стороны, потенциал силы тяжести влияет на градиент вертикального смещения воды в почве.

Многие процессы, происходящие в почве, зависят от свободной энергии воды, содержащейся в почве, то есть от ее водного потенциала. Эти процессы включают питание растений и транспирацию, проникновение дождевой воды и испарение воды из почвы.

В сельском хозяйстве важно определить водный потенциал почвы, чтобы правильно применять орошение и удобрения. Если матричный потенциал почвы очень высок, вода будет оставаться связанной с глинами и не будет доступна для поглощения растениями.

Ссылки

1. Буссо, Калифорния (2008). Использование барокамеры и термопар-психрометров для определения водородных соотношений в тканях растений. ФИТОН.
2. Квинталь-Ортис, В.К., Перес-Гутьеррес, А., Латурнери-Морено, Л., Май-Лара, К., Руис-Санчес, Э. и Мартинес-Чакон, А.Дж. (2012). Использование воды, водный потенциал и урожайность перца хабанеро (C apsicum chinense J acq.). Журнал Fitotecnia Mexicana.
3. Солсбери, Ф. Б. и Росс, CW (1991). Физиология растений. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. и Hammel, H. (1965). Давление сока в сосудистых растениях: у растений можно измерить отрицательное гидростатическое давление. Наука.
5. Squeo, FA (2007). Вода и водный потенциал. В: Squeo, FA и Cardemil, L. (Eds.). Физиология растений. Издания Университета Ла Серены