Jak modelować wodę dostępną dla roślin
Dr Gaylon Campbell, światowej sławy fizyk gleby, uczy tego, co trzeba wiedzieć o prostych modelach procesów wodnych w glebie.
Potencjał wody to energia wymagana do przetransportowania nieskończenie małej ilości wody z próbki do referencyjnej puli czystej, wolnej wody. Aby zrozumieć, co to oznacza, porównaj wodę w próbce gleby do wody w szklance. Woda w szklance jest względnie wolna i dostępna; woda w glebie jest związana z powierzchniami rozcieńczonymi substancjami rozpuszczonymi i pod ciśnieniem lub napięciem. W rzeczywistości woda w glebie ma inny stan energetyczny niż "wolna" woda. Wolna woda może być dostępna bez wywierania jakiejkolwiek energii. Woda glebowa może być pobierana tylko poprzez wydatkowanie energii. Potencjał wody glebowej wyraża, ile energii trzeba by poświęcić na wyciągnięcie wody z próbki gleby.
Potencjał wody w glebie jest właściwością różnicową. Aby pomiar miał znaczenie, należy określić odniesienie. Odniesieniem jest zazwyczaj czysta, wolna woda na powierzchni gleby. Potencjał wody tego odniesienia wynosi zero. Potencjał wody w środowisku jest prawie zawsze mniejszy od zera, ponieważ trzeba dodać energię, aby wydostać wodę.
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"
Ruch wody w środowisku jest tak naprawdę problemem fizycznym i aby go zrozumieć, musimy rozróżnić zmienne intensywne i ekstensywne. Zmienna ekstensywna opisuje zakres lub ilość materii lub energii. Zmienna intensywna opisuje intensywność lub jakość materii lub energii. Na przykład stan termiczny substancji można opisać zarówno pod względem zawartości ciepła, jak i temperatury.
Te dwie zmienne są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym. Zawartość ciepła zależy od masy, ciepła właściwego i temperatury. Na podstawie pomiaru zawartości ciepła nie można stwierdzić, czy ciepło zostanie przeniesione na inny obiekt, jeśli oba się zetkną. Nie wiadomo więc również, czy obiekt jest gorący czy zimny, ani czy jego dotknięcie będzie bezpieczne.
Odpowiedzi na te pytania są znacznie łatwiejsze, jeśli znasz zmienną intensywną - temperaturę. W rzeczywistości, chociaż pomiar zarówno zmiennych intensywnych, jak i ekstensywnych może być ważny, często zmienna intensywna dostarcza bardziej przydatnych informacji. Jeśli chodzi o wodę, zmienną ekstensywną jest zawartość wody i informuje ona o zakresie lub ilości wody w tkance roślinnej lub glebie. Zmienną intensywną jest potencjał wody, który opisuje intensywność lub jakość wody w tkance roślinnej lub glebie. Na wiele pytań dotyczących dostępności i przepływu wody najlepiej odpowiedzieć, mierząc potencjał wody w glebie.
1. Ruch wody
Woda zawsze przepływa od wysokiego potencjału do niskiego potencjału. Jest to druga zasada termodynamiki - energia przepływa wzdłuż gradientu zmiennej intensywnej. Woda będzie przemieszczać się z lokalizacji o wyższej energii do lokalizacji o niższej energii, aż lokalizacje osiągną równowagę, jak pokazano na rysunku 1. Na przykład, jeśli potencjał wody w glebie wynosiłby -50 kPa, woda przemieszczałaby się w kierunku bardziej ujemnego -100 kPa, aby stać się bardziej stabilna.
2. Dostępność wody dla roślin
Ciekła woda przemieszcza się z gleby do i przez korzenie, przez ksylem roślin, do liści i ostatecznie wyparowuje w podkomorowych zagłębieniach liścia. Siłą napędową tego przepływu jest gradient potencjału wody. Tak więc, aby woda mogła przepływać, potencjał wody w liściach musi być niższy niż potencjał wody w glebie. Na rysunku 2 gleba ma wartość -0,3 MPa, a korzenie są nieco bardziej ujemne i mają wartość -0,5 MPa. Oznacza to, że korzenie będą pobierać wodę z gleby. Następnie woda będzie przemieszczać się w górę przez ksylem i na zewnątrz przez liście. Atmosfera o ciśnieniu -100 MPa napędza ten gradient.
Pomiary potencjału wodnego wyraźnie wskazują dostępną dla roślin wodę i w przeciwieństwie do zawartości wody, istnieje łatwa skala odniesienia -optymalny poziom dla roślinwynosi od około -2-5 kPa, czyli po bardzo wilgotnej stronie, do około -100 kPa, na suchym końcu optymalnego poziomu. Poniżej tej wartości rośliny będą miały deficyt wody, a powyżej -1000 kPa zaczną cierpieć. W zależności od rośliny, potencjał wody poniżej -1000 do -2000 kPa powoduje trwałe więdnięcie.
Tabela 1 przedstawia łatwą skalę referencyjną dla niektórych rodzajów upraw. Rośliny nie będą narażone na stres i dadzą większe plony, jeśli będą utrzymywane w tym zakresie komfortu potencjału wodnego.
Irygatorzy i naukowcy używają czujników potencjału wody w połączeniu z czujnikami zawartości wody, aby zrozumieć dostępność wody dla roślin. Na rysunku 3 można zaobserwować, gdzie spada zawartość wody i przy jakim procencie rośliny zaczynają odczuwać stres. Możliwe jest również rozpoznanie, kiedy gleba ma zbyt dużo wody: zawartość wody jest powyżej miejsca, w którym czujniki potencjału wody zaczynają wyczuwać stres roślin. Korzystając z tych informacji, naukowcy mogą zidentyfikować optymalny zakres dla roślin na poziomie 12% do 17% objętościowej zawartości wody. Wszystko poniżej lub powyżej tego zakresu oznacza zbyt małą lub zbyt dużą ilość wody.
Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak potencjał wodny gleby wskazuje dostępność wody dla roślin, przeczytaj "Kiedy podlewać: Podwójne pomiary rozwiązują zagadkę" i "Dlaczego czujniki wilgotności gleby nie powiedzą Ci wszystkiego, co musisz wiedzieć".
Rysunek 4 ilustruje, że istnieją różne przyrządy do pomiaru potencjału wody, które mierzą różne zakresy. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak można połączyć przyrządy METER LABROS , aby zmierzyć pełny zakres potencjału wody w glebie. Dowiedz się więcej o tym, jak mierzyć potencjał wody i które przyrządy są używane w jakim celu.
Całkowity potencjał wody jest sumą czterech różnych składników.
Potencjał wody jest często nazywany napięciem wody, ssaniem gleby i ciśnieniem wody w porach gleby. Zazwyczaj używamy jednostek ciśnienia do opisania potencjału wody w glebie, w tym megapaskali (MPa), kilopaskali (kPa), barów i metrów (mH2O), centymetrów (cmH2O) lub milimetrów wody (mmH2O).
Potencjał wody jest w rzeczywistości mierzony w energii na jednostkę masy, więc oficjalnymi jednostkami powinny być dżule na kilogram, ale jeśli weźmie się pod uwagę gęstość wody, jednostkami stają się kilopaskale, dlatego zazwyczaj opisujemy go za pomocą jednostek ciśnienia.
Potencjał wody w glebie jest sumą czterech różnych składników: potencjału grawitacyjnego + potencjału matrykalnego + potencjału ciśnienia + potencjału osmotycznego (równanie 1).
Potencjał matrykalny jest najważniejszym składnikiem gleby, ponieważ odnosi się do wody przylegającej do powierzchni gleby. Na rysunku 5 potencjał macierzowy jest tym, co tworzy film wodny przylegający do cząstek gleby. Gdy woda odpływa z gleby, wypełnione powietrzem przestrzenie porów stają się większe, a woda staje się ściślej związana z cząstkami gleby, gdy potencjał matrykalny maleje.
Potencjał macierzowy powstaje, ponieważ woda jest przyciągana do większości powierzchni poprzez wiązania wodorowe i siły van der Waalsa. Gleba składa się z małych cząstek, zapewniając wiele powierzchni, które wiążą wodę. Wiązanie to w dużym stopniu zależy od rodzaju gleby. Na przykład gleba piaszczysta ma duże cząstki, które zapewniają mniej miejsc wiązania powierzchniowego, podczas gdy glina pylasta ma mniejsze cząstki i więcej miejsc wiązania powierzchniowego.
Obejrzyj poniższy film, aby zobaczyć potencjał macierzy w akcji.
Poniższy rysunek, przedstawiający krzywe uwalniania wilgoci dla trzech różnych rodzajów gleby, pokazuje wpływ powierzchni. Piasek, zawierający 10% wody, ma wysoki potencjał matrykalny, a woda jest łatwo dostępna dla organizmów i roślin. Glina pylasta, zawierająca 10% wody, będzie miała znacznie niższy potencjał macierzysty, a woda będzie znacznie mniej dostępna.
Potencjał matrycowy jest zawsze ujemny lub zerowy i jest najważniejszym składnikiem potencjału wodnego gleby w warunkach nienasyconych.
Krzywe uwalniania wilgoci z gleby (krzywe charakterystyczne gleby i wody) ilustrują związek między potencjałem wodnym a zawartością wody i są jak fizyczne odciski palców, unikalne dla każdego rodzaju gleby. Wykorzystaj je w swoich badaniach, aby zrozumieć i przewidzieć los wody w konkretnej glebie. Krzywe uwalniania wilgoci odpowiadają na kluczowe pytania, takie jak: czy woda szybko spłynie przez glebę, czy zostanie zatrzymana w strefie korzeniowej? Są to potężne narzędzia wykorzystywane do przewidywania poboru wody przez rośliny, głębokiego drenażu, spływu i nie tylko.
Dowiedz się więcej o krzywych uwalniania wilgoci i związku między potencjałem wodnym gleby a zawartością wody w glebie tutaj. Możesz też obejrzeć poniższy film.
Tensjometry i TEROS 21 to czujniki potencjału wody w glebie, które mierzą potencjał macierzysty w terenie.
Aby dowiedzieć się, który czujnik potencjału wodnego jest odpowiedni dla danego zastosowania, przeczytaj "Który czujnik gleby jest dla Ciebie idealny?". Możesz też obejrzeć poniższe webinarium dr Colina Campbella "Potencjał wody 201: Wybór odpowiedniego przyrządu", które obejmuje teorię przyrządów do pomiaru potencjału wody, w tym wyzwania związane z pomiarem potencjału wody oraz sposób wyboru i korzystania z różnych przyrządów do pomiaru potencjału wody, takich jak tensjometry, TEROS 21, WP4C, HYPROPi inne.
Potencjał osmotyczny opisuje rozcieńczanie i wiązanie wody przez substancje rozpuszczone w wodzie. Potencjał ten jest zawsze ujemny.
Potencjał osmotyczny wpływa na system tylko wtedy, gdy istnieje półprzepuszczalna bariera, która blokuje przejście substancji rozpuszczonych. Jest to dość powszechne zjawisko w przyrodzie. Na przykład korzenie roślin przepuszczają wodę, ale blokują większość substancji rozpuszczonych. Błony komórkowe również tworzą półprzepuszczalną barierę. Mniej oczywistym przykładem jest interfejs powietrze-woda, gdzie woda może przenikać do powietrza w fazie parowej, ale sole pozostają z tyłu.
Potencjał osmotyczny można obliczyć z następującego równania, jeśli znane jest stężenie substancji rozpuszczonej w wodzie
Gdzie C to stężenie substancji rozpuszczonej (mol/kg), ɸ to współczynnik osmotyczny (-0,9 do 1 dla większości substancji rozpuszczonych), v to liczba jonów na mol (NaCl = 2, CaCl2 = 3, sacharoza = 1), R to stała gazowa, a T to temperatura Kelvina.
Potencjał osmotyczny jest zawsze ujemny lub zerowy i jest istotny w roślinach i niektórych glebach słonych.
Potencjał grawitacyjny wynika z położenia wody w polu grawitacyjnym. Może być dodatni lub ujemny, w zależności od tego, gdzie się znajdujesz w stosunku do określonego odniesienia czystej, wolnej wody na powierzchni gleby. Potencjał grawitacyjny wynosi zatem
Gdzie G to stała grawitacyjna (9,8 m s-2), a H to pionowa odległość od wysokości odniesienia do powierzchni gleby (określona wysokość).
Potencjał ciśnienia to ciśnienie hydrostatyczne lub pneumatyczne wywierane na wodę. Jest to bardziej makroskopowy efekt działający w większym obszarze systemu.
Istnieje kilka przykładów potencjału nadciśnienia w środowisku naturalnym. Na przykład, pod powierzchnią każdej wody gruntowej występuje nadciśnienie. Możesz poczuć to ciśnienie, gdy zanurzysz się w jeziorze lub basenie. Podobnie, wysokość ciśnienia lub potencjał nadciśnienia rozwija się, gdy poruszasz się poniżej lustra wody. Ciśnienie Turgora w roślinach i ciśnienie krwi u zwierząt to dwa kolejne przykłady dodatniego potencjału ciśnienia.
Potencjał ciśnienia można obliczyć na podstawie
Gdzie P to ciśnienie(Pa), a PW to gęstość wody.
Chociaż potencjał ciśnienia jest zwykle dodatni, istnieją ważne przypadki, w których tak nie jest. Jeden z nich występuje w roślinach, gdzie ujemny potencjał ciśnienia w ksylemie zasysa wodę z gleby przez korzenie do liści.
Potencjał wody i wilgotność względna są powiązane równaniem Kelvina. Jeśli znasz temperaturę i wilgotność, możesz obliczyć potencjał wody za pomocą tego równania
Gdzie Ψ to potencjał wody (MPa), HR to wilgotność względna (bez jednostek), R to uniwersalna stała gazowa (8,3143 J mol-1 K -1), MW to masa wody (18,02 g/mol), a T to temperatura Kelvina.
Potencjał wodny:
Kluczowe punkty:
W tym webinarium dr Doug Cobos odróżnia potencjał wody od zawartości wody, omawia teorię, zastosowanie i kluczowe składniki potencjału wody.
Więcej odpowiedzi na pytanie "czym jest potencjał wody" można znaleźć tutaj:
Powrót do głównej strony potencjału wody
Kirkham, Mary Beth. Zasady stosunków wodnych gleby i roślin. Academic Press, 2014.(Link do książki)
Taylor, Sterling A. i Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fizyczna. Fizyka gleb nawadnianych i nienawadnianych. 1972.(Link do książki)
Hillel, Daniel. Podstawy fizyki gleby. Prasa akademicka, 2013.(Link do książki)
Dane, Jacob H., G. C. Topp i Gaylon S. Campbell. Metody fizycznej analizy gleby. Nr 631.41 S63/4. 2002.(Link do książki)
Sześć krótkich filmów wideo nauczy Cię wszystkiego, co musisz wiedzieć o zawartości wody w glebie i potencjale wodnym gleby - i dlaczego powinieneś mierzyć je razem. Ponadto opanuj podstawy przewodnictwa hydraulicznego gleby.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Dr Gaylon Campbell, światowej sławy fizyk gleby, uczy tego, co trzeba wiedzieć o prostych modelach procesów wodnych w glebie.
Kompleksowe spojrzenie na naukę stojącą za pomiarem potencjału wody.
Porównanie obecnych metod pomiaru potencjału wody oraz zalet i wad każdej z nich.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.