CONTRIBUENTI

Una definizione di potenziale idrico

Il potenziale idrico è l'energia necessaria, per quantità d'acqua, per trasportare una quantità infinitesimale di acqua dal campione a un bacino di riferimento di acqua libera pura. Per capire cosa significa, confrontate l'acqua contenuta in un campione di terreno con quella contenuta in un bicchiere. L'acqua nel bicchiere è relativamente libera e disponibile; l'acqua nel suolo è legata a superfici diluite da soluti e sotto pressione o tensione. In effetti, l'acqua del suolo ha uno stato energetico diverso dall'acqua "libera". L'acqua libera può essere raggiunta senza esercitare alcuna energia. L'acqua del suolo può essere estratta solo spendendo energia. Il potenziale idrico del suolo esprime quanta energia si dovrebbe spendere per estrarre l'acqua dal campione di terreno.

Il potenziale idrico del suolo è una proprietà differenziale. Affinché la misurazione abbia un significato, è necessario specificare un riferimento. Il riferimento tipicamente specificato è l'acqua pura e libera alla superficie del suolo. Il potenziale idrico di questo riferimento è pari a zero. Il potenziale idrico nell'ambiente è quasi sempre inferiore a zero, perché è necessario aggiungere energia per far uscire l'acqua.

Scarica la "Guida completa al potenziale idrico per i ricercatori".

Variabili intensive e estensive

Il movimento dell'acqua nell'ambiente è in realtà un problema di fisica e per comprenderlo dobbiamo distinguere tra variabili intensive ed estensive. La variabile estensiva descrive l'estensione o la quantità di materia o energia. La variabile intensiva descrive l'intensità o la qualità della materia o dell'energia. Ad esempio, lo stato termico di una sostanza può essere descritto sia in termini di contenuto di calore che di temperatura.

Le due variabili sono correlate, ma non sono la stessa cosa. Il contenuto di calore dipende dalla massa, dal calore specifico e dalla temperatura. Non è possibile sapere, misurando il contenuto di calore, se il calore verrà trasferito o meno a un altro oggetto se i due si toccano. Quindi non si può sapere se l'oggetto è caldo o freddo o se è sicuro da toccare.

È molto più facile rispondere a queste domande se si conosce la variabile intensiva, la temperatura. In realtà, anche se può essere importante misurare sia le variabili intensive che quelle estensive, spesso la variabile intensiva fornisce informazioni più utili. Per quanto riguarda l'acqua, la variabile estensiva è il contenuto d'acqua, che indica l'estensione o la quantità d'acqua nei tessuti vegetali o nel terreno. La variabile intensiva è il potenziale idrico e descrive l'intensità o la qualità dell'acqua nei tessuti vegetali o nel terreno. Molte domande sulla disponibilità e sul movimento dell'acqua trovano una risposta migliore nella misurazione del potenziale idrico del suolo.

Il potenziale idrico risponde a due domande chiave

1. Movimento dell'acqua

L'acqua fluirà sempre da un alto potenziale a un basso potenziale. Questa è la seconda legge della termodinamica: l'energia scorre lungo il gradiente della variabile intensiva. L'acqua si sposterà da una posizione a più alta energia a una a più bassa energia fino a quando le posizioni non raggiungeranno l'equilibrio, come illustrato nella Figura 1. Ad esempio, se il potenziale idrico di un terreno fosse di -50 kPa, l'acqua si sposterebbe verso il valore più negativo di -100 kPa per diventare più stabile.

2. Disponibilità idrica della pianta

L'acqua liquida si sposta dal suolo alle radici, attraverso lo xilema delle piante, fino alle foglie e infine evapora nelle cavità substomatiche della foglia. La forza motrice di questo flusso è un gradiente di potenziale idrico. Pertanto, affinché l'acqua possa fluire, il potenziale idrico della foglia deve essere inferiore a quello del suolo. Nella Figura 2, il suolo è a -0,3 MPa e le radici sono leggermente più negative, a -0,5 MPa. Ciò significa che le radici tirano su l'acqua dal suolo. Poi l'acqua salirà attraverso lo xilema e uscirà dalle foglie. L'atmosfera, a -100 MPa, è il motore di questo gradiente.

Le misurazioni del potenziale idrico indicano chiaramente l'acqua disponibile per le piante e, a differenza del contenuto d'acqua, esiste una scala di riferimento semplice: l'optimum delle pianteva da circa -2-5 kPa, che è sul lato molto umido, a circa -100 kPa, all'estremità più secca dell'optimum. Al di sotto di questa soglia, le piante sono in deficit, mentre oltre i -1000 kPa iniziano a soffrire. A seconda della pianta, i potenziali idrici inferiori a -1000-2000 kPa causano un appassimento permanente.

La Tabella 1 illustra la scala di riferimento facile per alcuni tipi di colture. Le piante non subiscono stress e producono di più se vengono mantenute all'interno di questo intervallo di comfort del potenziale idrico.

Gli irrigatori e gli scienziati utilizzano i sensori di potenziale idrico insieme ai sensori di contenuto idrico per capire la disponibilità idrica delle piante. Nella Figura 3 è possibile osservare dove il contenuto d'acqua diminuisce e a quale percentuale le piante iniziano a stressarsi. È anche possibile riconoscere quando il terreno ha troppa acqua: il contenuto d'acqua è superiore al punto in cui i sensori di potenziale idrico iniziano a percepire lo stress delle piante. Utilizzando queste informazioni, i ricercatori possono identificare l'intervallo ottimale per le piante tra il 12% e il 17% di contenuto volumetrico d'acqua. Qualsiasi cosa al di sotto o al di sopra di questo intervallo sarà troppo poca o troppa acqua.

Per saperne di più su come il potenziale idrico del suolo indica la disponibilità idrica delle piante, leggete "Quando irrigare: La doppia misurazione risolve il mistero" e "Perché i sensori di umidità del suolo non possono dirvi tutto quello che dovete sapere".

Nomi, intervalli e unità del potenziale idrico

La Figura 4 illustra che esistono diversi strumenti per il potenziale idrico che misurano diversi intervalli. Guardate il video per vedere come è possibile combinare gli strumenti METER LABROS per misurare l'intera gamma del potenziale idrico del suolo. Per saperne di più su come si misura il potenziale idrico e su quali strumenti si usano per quale scopo, consultare il sito web di METER .

Componenti del potenziale idrico

Il potenziale idrico totale è la somma di quattro diverse componenti.

• POTENZIALE MATRICO: il legame dell'acqua con le superfici.
• POTENZIALE OSMOTICO: legame con i soluti presenti nell'acqua.
• POTENZIALE GRAVITAZIONALE: la posizione dell'acqua in un campo gravitazionale.
• POTENZIALE DI PRESSIONE: pressione idrostatica o pneumatica sull'acqua.

Il potenziale idrico è spesso chiamato tensione idrica, aspirazione del suolo e pressione dell'acqua dei pori del suolo. Per descrivere il potenziale idrico del suolo si utilizzano generalmente unità di pressione, come megapascal (MPa), kilopascal (kPa), bar, metri (_mH2O), centimetri (_cmH2O) o millimetri d'acqua (_mmH2O).

Il potenziale dell'acqua è misurato in energia per unità di massa, quindi l'unità di misura ufficiale dovrebbe essere il joule per chilogrammo, ma se si tiene conto della densità dell'acqua, l'unità di misura diventa il kilopascal, quindi di solito lo descriviamo usando l'unità di misura della pressione.

Come calcolare il potenziale idrico

Il potenziale idrico del suolo è la somma di quattro diverse componenti: potenziale gravitazionale + potenziale matrico + potenziale di pressione + potenziale osmotico (Equazione 1).

Il potenziale matriciale è il componente più significativo per quanto riguarda il suolo perché si riferisce all'acqua che aderisce alle superfici del suolo. Nella Figura 5, il potenziale matriciale è quello che crea la pellicola d'acqua che aderisce alle particelle del suolo. Quando l'acqua drena dal suolo, gli spazi dei pori pieni d'aria diventano più grandi e l'acqua si lega più strettamente alle particelle del suolo, mentre il potenziale matrico diminuisce.

Potenziale matricolare

Il potenziale matriciale deriva dal fatto che l'acqua è attratta dalla maggior parte delle superfici attraverso il legame idrogeno e le forze di van der Waals. Il suolo è composto da piccole particelle che offrono molte superfici in grado di legare l'acqua. Questo legame dipende molto dal tipo di terreno. Ad esempio, un terreno sabbioso ha particelle grandi che forniscono meno siti di legame superficiale, mentre un terreno limoso ha particelle più piccole e più siti di legame superficiale.

Guardate il video qui sotto per visualizzare il potenziale matriciale in azione.

La figura seguente, che mostra le curve di rilascio dell'umidità per tre diversi tipi di terreno, dimostra l'effetto dell'area superficiale. La sabbia, che contiene il 10% di acqua, ha un potenziale matrico elevato e l'acqua è prontamente disponibile per gli organismi e le piante. Il limo, che contiene il 10% di acqua, ha un potenziale matrico molto più basso e l'acqua è molto meno disponibile.

Il potenziale matriciale è sempre negativo o nullo ed è la componente più significativa del potenziale idrico del suolo in condizioni insature.

Uno strumento per l'umidità del suolo

Le curve di rilascio dell'umidità del suolo (curve caratteristiche dell'acqua del suolo) illustrano la relazione tra potenziale idrico e contenuto idrico e sono come impronte digitali fisiche, uniche per ogni tipo di suolo. Utilizzatele nella vostra ricerca per capire e prevedere il destino dell'acqua nel vostro particolare terreno. Le curve di rilascio dell'umidità rispondono a domande cruciali come: l'acqua drena rapidamente attraverso il terreno o viene trattenuta nella zona radicale? Sono strumenti potenti utilizzati per prevedere l'assorbimento dell'acqua da parte delle piante, il drenaggio in profondità, il ruscellamento e altro ancora.

Per saperne di più sulle curve di rilascio dell'umidità e sulla relazione tra il potenziale idrico e il contenuto idrico del suolo, cliccate qui. Oppure guardate il video qui sotto.

I tensiometri e TEROS 21 sono entrambi sensori del potenziale idrico del suolo che misurano il potenziale matriciale sul campo.

Per scoprire quale sensore di potenziale idrico è adatto alla vostra applicazione, leggete "Quale sensore del terreno è perfetto per voi?". Oppure guardate il webinar del Dr. Colin Campbell, "Potenziale idrico 201. La scelta dello strumento giusto": Scegliere lo strumento giusto", che tratta la teoria degli strumenti per il potenziale idrico, comprese le sfide della misurazione del potenziale idrico e le modalità di scelta e utilizzo dei vari strumenti per il potenziale idrico, come tensiometri, TEROS 21., e il sistema di misurazione del potenziale idrico, WP4C, HYPROP, e altri ancora.

Potenziale osmotico

Il potenziale osmotico descrive la diluizione e il legame dell'acqua con i soluti in essa disciolti. Anche questo potenziale è sempre negativo.

Il potenziale osmotico influisce sul sistema solo se esiste una barriera semipermeabile che blocca il passaggio dei soluti. Questa situazione è abbastanza comune in natura. Ad esempio, le radici delle piante permettono il passaggio dell'acqua ma bloccano la maggior parte dei soluti. Anche le membrane cellulari formano una barriera semipermeabile. Un esempio meno ovvio è l'interfaccia aria-acqua, dove l'acqua può passare nell'aria in fase di vapore, ma i sali vengono lasciati indietro.

È possibile calcolare il potenziale osmotico in base alla seguente equazione, se si conosce la concentrazione del soluto nell'acqua

Dove C è la concentrazione del soluto (mol/kg), ɸ è il coefficiente osmotico (da -0,9 a 1 per la maggior parte dei soluti), v è il numero di ioni per mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, saccarosio = 1), R è la costante dei gas e T è la temperatura Kelvin.

Il potenziale osmotico è sempre negativo o nullo ed è significativo nelle piante e in alcuni terreni salini.

Potenziale gravitazionale

Il potenziale gravitazionale deriva dalla posizione dell'acqua in un campo gravitazionale. Può essere positivo o negativo, a seconda di dove ci si trova rispetto al riferimento specificato di acqua pura e libera alla superficie del suolo. Il potenziale gravitazionale è quindi

Dove G è la costante gravitazionale (9,8 m ^s-2) e H è la distanza verticale dall'altezza di riferimento alla superficie del suolo (l'altezza specificata).

Potenziale di pressione

Il potenziale di pressione è una pressione idrostatica o pneumatica che viene applicata o tirata sull'acqua. Si tratta di un effetto più macroscopico che agisce su una regione più ampia del sistema.

Esistono diversi esempi di potenziale pressione positiva nell'ambiente naturale. Ad esempio, sotto la superficie delle acque sotterranee è presente una pressione positiva. Si può sentire questa pressione quando si nuota in un lago o in una piscina. Allo stesso modo, una testa di pressione o un potenziale di pressione positiva si sviluppa quando ci si sposta al di sotto della falda acquifera. La pressione di turgore nelle piante e la pressione sanguigna negli animali sono altri due esempi di potenziale di pressione positiva.

Il potenziale di pressione può essere calcolato da

Dove P è la pressione(_Pa) e _PW è la densità dell'acqua.

Sebbene il potenziale di pressione sia generalmente positivo, esistono casi importanti in cui non lo è. Uno di questi è quello delle piante, dove un potenziale di pressione negativo nello xilema attira l'acqua dal suolo attraverso le radici e le foglie.

Potenziale idrico e umidità relativa

Il potenziale idrico e l'umidità relativa sono correlati dall'equazione di Kelvin. Se si conoscono la temperatura e l'umidità, è possibile calcolare il potenziale idrico utilizzando questa equazione

Dove Ψ è il potenziale idrico (MPa), _HR è l'umidità relativa (senza unità), R è la costante universale dei gas (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW è la massa dell'acqua (18,02 g/mol) e T è la temperatura Kelvin.

Che cos'è il potenziale idrico? Punti da ricordare

Potenziale idrico:

• Descrive lo stato energetico dell'acqua nell'ambiente
• Definisce la disponibilità di acqua per gli organismi

Punti chiave:

• L'acqua fluisce sempre da un alto potenziale a un basso potenziale.
• Questa è la seconda legge della termodinamica: l'energia fluisce lungo il gradiente della variabile intensiva.

Padroneggiare le basi

In questo webinar, il Dr. Doug Cobos distingue il potenziale idrico dal contenuto idrico, discute la teoria, l'applicazione e i componenti chiave del potenziale idrico.