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Eine Definition des Wasserpotenzials

Das Wasserpotenzial ist die Energie, die pro Wassermenge erforderlich ist, um eine infinitesimale Wassermenge von der Probe zu einem Referenzpool aus reinem, freiem Wasser zu transportieren. Um zu verstehen, was das bedeutet, vergleichen Sie Gegenüberstellung das Wasser in einer Bodenprobe mit dem Wasser in einem Trinkglas. Das Wasser im Glas ist relativ frei und verfügbar; das Wasser im Boden ist an Oberflächen gebunden, die durch gelöste Stoffe verdünnt sind und unter Druck oder Spannung stehen. In der Tat hat das Bodenwasser einen anderen Energiezustand als das "freie" Wasser. Auf das freie Wasser kann ohne Energiezufuhr zugegriffen werden. Das Bodenwasser kann nur unter Aufwendung von Energie entzogen werden. Das Bodenwasserpotenzial drückt aus, wie viel Energie Sie aufwenden müssten, um das Wasser aus der Bodenprobe zu ziehen.

Das Wasserpotenzial des Bodens ist eine differentielle Eigenschaft. Damit die Messung aussagekräftig ist, muss eine Referenz angegeben werden. Die übliche Referenz ist reines, freies Wasser an der Bodenoberfläche. Das Wasserpotenzial dieser Referenz ist Null. Das Wasserpotenzial in der Umwelt ist fast immer kleiner als Null, weil man Energie aufwenden muss, um das Wasser herauszubekommen.

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Intensive vs. extensive Variablen

Die Wasserbewegung in der Umwelt ist eigentlich ein physikalisches Problem, und um es zu verstehen, müssen wir zwischen intensiven und extensiven Variablen unterscheiden. Die extensive Variable beschreibt das Ausmaß oder die Menge der Materie oder Energie. Die intensive Variable beschreibt die Intensität oder Qualität der Materie oder Energie. Der thermische Zustand einer Substanz kann zum Beispiel sowohl durch den Wärmeinhalt als auch durch die Temperatur beschrieben werden.

Die beiden Variablen sind miteinander verbunden, aber sie sind nicht dasselbe. Der Wärmeinhalt hängt von der Masse, der spezifischen Wärme und der Temperatur ab. Durch die Messung des Wärmeinhalts können Sie nicht feststellen, ob die Wärme auf ein anderes Objekt übertragen wird, wenn die beiden sich berühren. Sie wissen also auch nicht, ob das Objekt heiß oder kalt ist oder ob es sicher ist, es zu berühren.

Diese Fragen sind viel einfacher zu beantworten, wenn Sie die intensive Variable - die Temperatur - kennen. Auch wenn es wichtig sein kann, sowohl intensive als auch extensive Variablen zu messen, liefert die intensive Variable oft die nützlicheren Informationen. In Bezug auf Wasser ist die extensive Variable der Wassergehalt, der Ihnen Auskunft über das Ausmaß oder die Menge des Wassers im Pflanzengewebe oder im Boden gibt. Die intensive Variable ist das Wasserpotenzial, das die Intensität oder Qualität des Wassers im Pflanzengewebe oder im Boden beschreibt. Viele Fragen zur Verfügbarkeit und Bewegung von Wasser lassen sich am besten durch die Messung des Wasserpotenzials im Boden beantworten.

Das Wasserpotenzial beantwortet zwei wichtige Fragen

1. Wasserbewegung

Wasser fließt immer von einem hohen Potential zu einem niedrigen Potential. Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - Energie fließt entlang des Gradienten der intensiven Variablen. Das Wasser bewegt sich von einem Ort mit höherer Energie zu einem Ort mit niedrigerer Energie, bis die Orte ein Gleichgewicht erreichen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn das Wasserpotenzial eines Bodens beispielsweise -50 kPa beträgt, würde sich das Wasser in Richtung der negativeren -100 kPa bewegen, um stabiler zu werden.

2. Verfügbarkeit von Wasser für Pflanzen

Flüssiges Wasser fließt vom Boden zu und durch die Wurzeln, durch das Xylem der Pflanzen, zu den Blättern und verdunstet schließlich in den substomatalen Hohlräumen des Blattes. Die treibende Kraft für diesen Fluss ist ein Wasserpotentialgefälle. Damit das Wasser fließen kann, muss das Wasserpotenzial der Blätter niedriger sein als das Wasserpotenzial des Bodens. In Abbildung 2 liegt der Boden bei -0,3 MPa und die Wurzeln sind mit -0,5 MPa noch etwas negativer. Das bedeutet, dass die Wurzeln Wasser aus dem Boden anziehen. Dann fließt das Wasser durch das Xylem nach oben und durch die Blätter nach außen. Und die Atmosphäre mit -100 MPa ist die Ursache für dieses Gefälle.

Die Messung des Wasserpotenzials gibt einen klaren Hinweis auf das verfügbare Wasser in der Pflanze, und im Gegensatz zum Wassergehalt gibt es eine einfache Referenzskala -das optimale Pflanzenwachstumreicht von etwa -2-5 kPa, was auf der sehr feuchten Seite liegt, bis zu etwa -100 kPa, dem trockeneren Ende des Optimums. Darunter haben die Pflanzen ein Defizit, und ab -1000 kPa beginnen sie zu leiden. Je nach Pflanze führen Wasserpotenziale unter -1000 bis -2000 kPa zu dauerhaftem Verwelken.

Tabelle 1 veranschaulicht die einfache Referenzskala für einige Arten von Pflanzen. Die Pflanzen werden nicht gestresst und bringen mehr Ertrag, wenn sie innerhalb dieses Komfortbereichs des Wasserpotenzials gehalten werden.

Bewässerer und Wissenschaftler verwenden Wasserpotenzialsensoren in Verbindung mit Wassergehaltssensoren, um die Wasserverfügbarkeit der Pflanzen zu verstehen. In Abbildung 3 können Sie sehen, wo der Wassergehalt abnimmt und bei welchem Prozentsatz die Pflanzen anfangen, Stress zu empfinden. Es ist auch möglich zu erkennen, wann der Boden zu viel Wasser hat: Der Wassergehalt liegt über dem Wert, bei dem die Wasserpotenzialsensoren beginnen, Pflanzenstress zu erkennen. Anhand dieser Informationen können die Forscher den optimalen Bereich für Pflanzen bei 12% bis 17% volumetrischem Wassergehalt ermitteln. Alles, was unter oder über diesem Bereich liegt, ist zu wenig oder zu viel Wasser.

Unter mehr erfahren erfahren Sie, wie das Wasserpotenzial des Bodens die Wasserverfügbarkeit der Pflanzen anzeigt, und lesen Sie "Wann bewässern": Duale Messungen lösen das Rätsel" und "Warum Bodenfeuchtesensoren nicht alles sagen können, was Sie wissen müssen".

Namen, Bereiche und Einheiten des Wasserpotenzials

Abbildung 4 veranschaulicht, dass es verschiedene Instrumente zur Messung des Wasserpotenzials gibt, die unterschiedliche Bereiche messen. Schauen Sie sich das Video an, um zu sehen, wie Sie die Instrumente von METER LABROS kombinieren können, um den gesamten Bereich des Wasserpotenzials im Boden zu messen. mehr erfahren wie man das Wasserpotenzial misst und welche Instrumente für welchen Zweck verwendet werden, erfahren Sie hier.

Komponenten des Wasserpotenzials

Das gesamte Wasserpotenzial ist die Summe von vier verschiedenen Komponenten.

• MATRIXPOTENTIAL: Die Bindung von Wasser an Oberflächen
• OSMOTISCHES POTENTIAL: Bindung an gelöste Stoffe im Wasser
• GRAVITATIVES POTENTIAL: Die Position von Wasser in einem Gravitationsfeld
• DRUCKPOTENTIAL: Hydrostatischer oder pneumatischer Druck auf das Wasser

Das Wasserpotenzial wird häufig als Wasserspannung, Bodensog und Porenwasserdruck bezeichnet. In der Regel verwenden wir zur Beschreibung des Bodenwasserpotenzials Druckeinheiten wie Megapascal (MPa), Kilopascal (kPa), Bar und Meter (_mH2O), Zentimeter (_cmH2O) oder Millimeter Wasser (_mmH2O).

Das Wasserpotenzial wird eigentlich in Energie pro Masseneinheit gemessen. Die offiziellen Einheiten sollten also Joule pro Kilogramm sein, aber wenn Sie die Dichte von Wasser berücksichtigen, werden die Einheiten zu Kilopascal, weshalb wir es normalerweise mit Druckeinheiten beschreiben.

Wie Sie das Wasserpotenzial berechnen

Das Wasserpotenzial des Bodens ist die Summe von vier verschiedenen Komponenten: Schwerkraftpotenzial + Matrixpotential + Druckpotenzial + osmotisches Potenzial (Gleichung 1).

Das Matrixpotential ist die wichtigste Komponente des Bodens, da es sich auf das Wasser bezieht, das an der Bodenoberfläche haftet. In Abbildung 5 ist das Matrixpotential für den Wasserfilm verantwortlich, der an den Bodenpartikeln haftet. Wenn das Wasser aus dem Boden abfließt, werden die luftgefüllten Porenräume größer und das Wasser wird enger an die Bodenpartikel gebunden, da das Matrixpotential abnimmt.

Matura-Potenzial

Das Matrixpotential entsteht, weil Wasser durch Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Kräfte von den meisten Oberflächen angezogen wird. Der Boden besteht aus kleinen Partikeln, die viele Oberflächen bieten, die Wasser binden können. Diese Bindung ist stark von der Bodenart abhängig. Ein sandiger Boden beispielsweise hat große Partikel, die weniger Oberflächenbindungsstellen bieten, während ein schluffiger Lehm kleinere Partikel und mehr Oberflächenbindungsstellen hat.

Schauen Sie sich das folgende Video an, um sich ein Bild von der Wirkung des Matrixpotentials zu machen.

Die folgende Abbildung, die Kurven der Feuchtigkeitsabgabe für drei verschiedene Bodentypen zeigt, veranschaulicht den Einfluss der Oberfläche. Sand, der 10 % Wasser enthält, hat ein hohes Matrixpotential und das Wasser ist für Organismen und Pflanzen leicht verfügbar. Schlufflehm, der 10 % Wasser enthält, hat ein viel niedrigeres Matrixpotenzial und das Wasser ist deutlich weniger verfügbar.

Das Matrixpotential ist immer negativ oder Null und ist die wichtigste Komponente des Bodenwasserpotentials unter ungesättigten Bedingungen.

Ein Werkzeug für die Bodenfeuchtigkeit

Retentionskurven (Boden-Wasser-Charakteristik-Kurven) veranschaulichen die Beziehung zwischen Wasserpotenzial und Wassergehalt und sind wie physische Fingerabdrücke, die für jeden Bodentyp einzigartig sind. Verwenden Sie sie bei Ihren Untersuchungen, um das Schicksal des Wassers in Ihrem speziellen Boden zu verstehen und vorherzusagen. Feuchtigkeitsabgabekurven geben Antworten auf kritische Fragen wie: Wird das Wasser schnell durch den Boden abfließen oder in der Wurzelzone gehalten werden? Sie sind ein leistungsfähiges Instrument zur Vorhersage der Wasseraufnahme von Pflanzen, der Tiefenentwässerung, des Abflusses und mehr.

mehr erfahren über Feuchtigkeitsabgabekurven und die Beziehung zwischen Bodenwasserpotenzial und Bodenwassergehalt hier. Oder sehen Sie sich das Video unten an.

Tensiometer und TEROS 21 sind beides Sensoren zur Messung des Bodenwasserpotenzials auf dem Feld.

Um herauszufinden, welcher Feldwasserpotenzialsensor für Ihre Anwendung der richtige ist, lesen Sie "Welcher Bodensensor ist perfekt für Sie?" Oder sehen Sie sich das unten stehende Webinar von Dr. Colin Campbell an, "Wasserpotenzial 201: Die Wahl des richtigen Instruments", in dem die Theorie der Wasserpotenzialinstrumente behandelt wird, einschließlich der Herausforderungen bei der Messung des Wasserpotenzials und der Auswahl und Verwendung verschiedener Wasserpotenzialinstrumente, wie Tensiometer, TEROS 21, WP4C, HYPROP, und mehr.

Osmotisches Potential

Das osmotische Potenzial beschreibt die Verdünnung und Bindung von Wasser durch gelöste Stoffe, die im Wasser aufgelöst sind. Auch dieses Potenzial ist immer negativ.

Das osmotische Potenzial wirkt sich nur dann auf das System aus, wenn es eine halbdurchlässige Barriere gibt, die den Durchgang von gelösten Stoffen blockiert. Dies ist in der Natur tatsächlich recht häufig der Fall. Pflanzenwurzeln lassen zum Beispiel Wasser durch, blockieren aber die meisten gelösten Stoffe. Auch Zellmembranen bilden eine halbdurchlässige Barriere. Ein weniger offensichtliches Beispiel ist die Luft-Wasser-Grenzfläche, an der Wasser in der Dampfphase in die Luft übergehen kann, aber Salze zurückbleiben.

Sie können das osmotische Potenzial anhand der folgenden Gleichung berechnen, wenn Sie die Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser kennen

Dabei ist C die Konzentration der gelösten Substanz (mol/kg), ɸ der osmotische Koeffizient (-0,9 bis 1 für die meisten gelösten Substanzen), v die Anzahl der Ionen pro mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, Saccharose = 1), R die Gaskonstante und T die Kelvin-Temperatur.

Das osmotische Potenzial ist immer negativ oder gleich Null und ist in Pflanzen und einigen salzhaltigen Böden von Bedeutung.

Gravitationspotenzial

Das Gravitationspotenzial entsteht durch die Lage des Wassers in einem Gravitationsfeld. Es kann positiv oder negativ sein, je nachdem, wo Sie sich in Bezug auf die festgelegte Referenz des reinen, freien Wassers an der Bodenoberfläche befinden. Das Schwerkraftpotenzial ist dann

Dabei ist G die Gravitationskonstante (9,8 m ^s-2) und H der vertikale Abstand von der Bezugshöhe zur Bodenoberfläche (die angegebene Höhe).

Druckpotenzial

Das Druckpotenzial ist ein hydrostatischer oder pneumatischer Druck, der auf das Wasser ausgeübt oder an ihm gezogen wird. Es handelt sich um einen eher makroskopischen Effekt, der in einer größeren Region des Systems wirkt.

Es gibt mehrere Beispiele für ein positives Druckpotenzial in der natürlichen Umgebung. Unter der Oberfläche von Grundwasser herrscht zum Beispiel ein positiver Druck. Sie können diesen Druck selbst spüren, wenn Sie in einen See oder Pool hinunterschwimmen. In ähnlicher Weise entsteht eine Druckhöhe oder ein positives Druckpotenzial, wenn Sie sich unterhalb des Grundwasserspiegels bewegen. Der Turgordruck bei Pflanzen und der Blutdruck bei Tieren sind zwei weitere Beispiele für ein positives Druckpotenzial.

Das Druckpotenzial kann berechnet werden aus

Dabei ist P der Druck(_Pa) und _PW die Dichte von Wasser.

Obwohl das Druckpotenzial normalerweise positiv ist, gibt es wichtige Fälle, in denen dies nicht der Fall ist. Einer davon ist bei Pflanzen zu finden, wo ein negatives Druckpotenzial im Xylem Wasser aus dem Boden über die Wurzeln in die Blätter zieht.

Wasserpotenzial und relative Luftfeuchtigkeit

Das Wasserpotenzial und die relative Luftfeuchtigkeit sind durch die Kelvin-Gleichung miteinander verbunden. Wenn Sie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kennen, können Sie das Wasserpotenzial mit dieser Gleichung berechnen

Dabei ist Ψ das Wasserpotenzial (MPa), _HR die relative Luftfeuchtigkeit (ohne Einheit), R die universelle Gaskonstante (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW die Masse des Wassers (18,02 g/mol) und T die Kelvin-Temperatur.

Was ist das Wasserpotenzial? Zu erinnernde Punkte

Wasserpotenzial:

• Beschreibt den Energiezustand von Wasser in der Umwelt
• Definiert die Verfügbarkeit von Wasser für Organismen

Wichtige Punkte:

• Wasser fließt immer von hohem zu niedrigem Potenzial
• Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - Energie fließt entlang des Gradienten der intensiven Variablen

Beherrschen Sie die Grundlagen

In diesem Webinar unterscheidet Dr. Doug Cobos zwischen dem Wasserpotenzial und dem Wassergehalt und erörtert die Theorie, die Anwendung und die wichtigsten Komponenten des Wasserpotenzials.