CONTRIBUINTES

Uma definição de potencial hídrico

O potencial hídrico é a energia necessária, por quantidade de água, para transportar uma quantidade infinitesimal de água da amostra para um reservatório de referência de água livre pura. Para entender o que isso significa, compare a água em uma amostra de solo com a água em um copo. A água no copo é relativamente livre e disponível; a água no solo está ligada a superfícies diluídas por solutos e sob pressão ou tensão. De fato, a água do solo tem um estado de energia diferente da água "livre". A água livre pode ser acessada sem exercer nenhuma energia. A água do solo só pode ser extraída com o gasto de energia. O potencial da água do solo expressa a quantidade de energia que você precisaria gastar para retirar a água da amostra de solo.

O potencial hídrico do solo é uma propriedade diferencial. Para que a medição tenha significado, uma referência deve ser especificada. A referência normalmente especificada é a água pura e livre na superfície do solo. O potencial hídrico dessa referência é zero. O potencial hídrico no ambiente é quase sempre menor que zero, pois é preciso adicionar energia para retirar a água.

Faça o download do "Guia completo do pesquisador para o potencial hídrico"

Variáveis intensivas vs. extensivas

O movimento da água no ambiente é, na verdade, um problema de física e, para entendê-lo, precisamos distinguir entre variáveis intensivas e extensivas. A variável extensiva descreve a extensão ou a quantidade de matéria ou energia. A variável intensiva descreve a intensidade ou a qualidade da matéria ou da energia. Por exemplo, o estado térmico de uma substância pode ser descrito em termos de conteúdo de calor e temperatura.

As duas variáveis estão relacionadas, mas não são a mesma coisa. O conteúdo de calor depende da massa, do calor específico e da temperatura. Não é possível saber, medindo o conteúdo de calor, se o calor será ou não transferido para outro objeto se os dois se tocarem. Portanto, você também não sabe se o objeto está quente ou frio ou se será seguro tocá-lo.

Essas perguntas são muito mais fáceis de responder se você conhecer a variável intensiva - temperatura. De fato, embora possa ser importante medir as variáveis intensivas e extensivas, muitas vezes a variável intensiva fornece informações mais úteis. Em termos de água, a variável extensiva é o conteúdo de água, que informa a extensão ou a quantidade de água no tecido vegetal ou no solo. A variável intensiva é o potencial hídrico, que descreve a intensidade ou a qualidade da água no tecido da planta ou no solo. Muitas perguntas sobre a disponibilidade e o movimento da água são melhor respondidas com a medição do potencial hídrico do solo.

O potencial hídrico responde a duas perguntas importantes

1. Movimento da água

A água sempre fluirá de um potencial alto para um potencial baixo. Essa é a segunda lei da termodinâmica - a energia flui ao longo do gradiente da variável intensiva. A água se moverá de um local de maior energia para um local de menor energia até que os locais atinjam o equilíbrio, conforme ilustrado na Figura 1. Por exemplo, se o potencial hídrico de um solo fosse de -50 kPa, a água se moveria em direção a -100 kPa, mais negativo, para se tornar mais estável.

2. Disponibilidade de água na planta

A água líquida se move do solo para e através das raízes, através do xilema das plantas, para as folhas e, por fim, evapora nas cavidades substomatais da folha. A força motriz para esse fluxo é um gradiente de potencial hídrico. Assim, para que a água flua, o potencial hídrico da folha deve ser menor do que o potencial hídrico do solo. Na Figura 2, o solo está a -0,3 MPa e as raízes estão um pouco mais negativas, a -0,5 MPa. Isso significa que as raízes puxarão a água do solo para cima. Em seguida, a água subirá pelo xilema e sairá pelas folhas. E a atmosfera, a -100 MPa, é o que impulsiona esse gradiente.

As medições de potencial hídrico indicam claramente a água disponível para a planta e, ao contrário do conteúdo de água, há uma escala de referência fácil -o ideal para a plantavai de cerca de -2-5 kPa, que está no lado muito úmido, até aproximadamente -100 kPa, no lado mais seco do ideal. Abaixo disso, as plantas estarão em déficit e, após -1000 kPa, começarão a sofrer. Dependendo da planta, potenciais hídricos abaixo de -1000 a -2000 kPa causam murcha permanente.

A Tabela 1 ilustra a escala de referência fácil para alguns tipos de culturas. As plantas não sofrerão estresse e produzirão mais quando mantidas dentro dessa faixa de conforto de potencial hídrico.

Irrigadores e cientistas usam sensores de potencial hídrico em conjunto com sensores de conteúdo de água para entender a disponibilidade de água para as plantas. Na Figura 3, é possível observar onde o conteúdo de água diminui e em que porcentagem as plantas começam a ficar estressadas. Também é possível reconhecer quando o solo está com excesso de água: o teor de água está acima do ponto em que os sensores de potencial hídrico começam a perceber o estresse das plantas. Usando essas informações, os pesquisadores podem identificar a faixa ideal da planta entre 12% e 17% de conteúdo volumétrico de água. Qualquer coisa abaixo ou acima dessa faixa será pouca ou muita água.

Para saber mais sobre como o potencial hídrico do solo indica a disponibilidade de água para as plantas, leia "When to water: Medições duplas resolvem o mistério" e "Por que os sensores de umidade do solo não podem dizer tudo o que você precisa saber"

Nomes, faixas e unidades de potencial hídrico

A Figura 4 ilustra que há diferentes instrumentos de potencial hídrico que medem diferentes faixas. Assista ao vídeo para ver como você pode combinar os instrumentos METER LABROS para medir a faixa completa do potencial hídrico do solo. Saiba mais sobre como medir o potencial hídrico e quais instrumentos são usados para qual finalidade aqui.

Componentes do potencial hídrico

O potencial hídrico total é a soma de quatro componentes diferentes.

• POTENCIAL MÁTRICO: A ligação da água às superfícies
• POTENCIAL OSMÓTICO: Ligação a solutos na água
• POTENCIAL GRAVITACIONAL: A posição da água em um campo gravitacional
• POTENCIAL DE PRESSÃO: pressão hidrostática ou pneumática na água

O potencial hídrico é frequentemente chamado de tensão da água, sucção do solo e pressão da água nos poros do solo. Normalmente, usamos unidades de pressão para descrever o potencial hídrico do solo, incluindo megapascal (MPa), quilopascal (kPa), bar e metros (_mH2O), centímetros (_cmH2O) ou milímetros de água (_mmH2O).

O potencial da água é, na verdade, medido em energia por unidade de massa, portanto, as unidades oficiais deveriam ser joules por quilograma, mas se você levar em conta a densidade da água, as unidades se tornam quilopascais, portanto, normalmente a descrevemos usando unidades de pressão.

Como calcular o potencial hídrico

O potencial hídrico do solo é a soma de quatro componentes diferentes: potencial gravitacional + potencial matricial + potencial de pressão + potencial osmótico (Equação 1).

O potencial matricial é o componente mais significativo no que diz respeito ao solo, pois está relacionado à água que está aderindo às superfícies do solo. Na Figura 5, o potencial matricial é o que criou a película de água aderida às partículas do solo. À medida que a água é drenada do solo, os espaços porosos cheios de ar ficam maiores, e a água fica mais aderida às partículas do solo à medida que o potencial matricial diminui.

Potencial matricial

O potencial matricial surge porque a água é atraída para a maioria das superfícies por meio da ligação de hidrogênio e das forças de van der Waals. O solo é composto de pequenas partículas, proporcionando muitas superfícies que ligam a água. Essa ligação é altamente dependente do tipo de solo. Por exemplo, o solo arenoso tem partículas grandes que fornecem menos locais de ligação de superfície, enquanto um solo argiloso tem partículas menores e mais locais de ligação de superfície.

Assista ao vídeo abaixo para visualizar o potencial matricial em ação.

A figura a seguir, que mostra as curvas de liberação de umidade para três tipos diferentes de solo, demonstra o efeito da área de superfície. A areia, contendo 10% de água, tem um alto potencial matricial, e a água está prontamente disponível para organismos e plantas. A argila siltosa, contendo 10% de água, terá um potencial matricial muito mais baixo, e a água estará significativamente menos disponível.

O potencial matricial é sempre negativo ou zero e é o componente mais significativo do potencial hídrico do solo em condições não saturadas.

Uma ferramenta elétrica de umidade do solo

As curvas de liberação de umidade do solo (curvas características de água do solo) ilustram a relação entre o potencial hídrico e o conteúdo de água e são como impressões digitais físicas, exclusivas para cada tipo de solo. Use-as em sua pesquisa para entender e prever o destino da água em seu solo específico. As curvas de liberação de umidade respondem a perguntas críticas, como: a água será drenada pelo solo rapidamente ou ficará retida na zona da raiz? Elas são ferramentas poderosas usadas para prever a absorção de água pelas plantas, a drenagem profunda, o escoamento superficial e muito mais.

Saiba mais sobre as curvas de liberação de umidade e a relação entre o potencial de água do solo e o conteúdo de água do solo aqui. Ou assista ao vídeo abaixo.

Os tensiômetros e o TEROS 21 são sensores de potencial hídrico do solo que medem o potencial matricial no campo.

Para saber qual sensor de potencial hídrico de campo é adequado para sua aplicação, leia "Qual sensor de solo é perfeito para você?" Ou assista ao webinar do Dr. Colin Campbell abaixo, "Water Potential 201: Choosing the Right Instrument", que aborda a teoria dos instrumentos de potencial hídrico, incluindo os desafios de medir o potencial hídrico e como escolher e usar vários instrumentos de potencial hídrico, como tensiômetros, TEROS 21, WP4C, HYPROP, entre outros.

Potencial osmótico

O potencial osmótico descreve a diluição e a ligação da água por solutos que estão dissolvidos na água. Esse potencial também é sempre negativo.

O potencial osmótico só afeta o sistema se houver uma barreira semipermeável que bloqueie a passagem de solutos. Na verdade, isso é bastante comum na natureza. Por exemplo, as raízes das plantas permitem a passagem de água, mas bloqueiam a maioria dos solutos. As membranas celulares também formam uma barreira semipermeável. Um exemplo menos óbvio é a interface ar-água, em que a água pode passar para o ar na fase de vapor, mas os sais são deixados para trás.

Você pode calcular o potencial osmótico com a seguinte equação se souber a concentração de soluto na água

Onde C é a concentração do soluto (mol/kg), ɸ é o coeficiente osmótico (-0,9 a 1 para a maioria dos solutos), v é o número de íons por mol (NaCl = 2, _CaCl2 = 3, sacarose = 1), R é a constante do gás e T é a temperatura Kelvin.

O potencial osmótico é sempre negativo ou zero e é significativo em plantas e em alguns solos afetados por sal.

Potencial gravitacional

O potencial gravitacional surge devido à localização da água em um campo gravitacional. Ele pode ser positivo ou negativo, dependendo de onde você está em relação à referência especificada de água pura e livre na superfície do solo. O potencial gravitacional é, então

Onde G é a constante gravitacional (9,8 m ^s-2) e H é a distância vertical da altura de referência até a superfície do solo (a altura especificada).

Potencial de pressão

O potencial de pressão é uma pressão hidrostática ou pneumática que está sendo aplicada ou puxada sobre a água. É um efeito mais macroscópico que atua em uma região maior do sistema.

Há vários exemplos de potencial de pressão positiva no ambiente natural. Por exemplo, há uma pressão positiva presente abaixo da superfície de qualquer água subterrânea. Você mesmo pode sentir essa pressão ao nadar em um lago ou piscina. Da mesma forma, uma cabeça de pressão ou um potencial de pressão positiva se desenvolve à medida que você se move abaixo do lençol freático. A pressão de turgor nas plantas e a pressão sanguínea nos animais são mais dois exemplos de potencial de pressão positiva.

O potencial de pressão pode ser calculado a partir de

Onde P é a pressão(_Pa) e _PW é a densidade da água.

Embora o potencial de pressão seja geralmente positivo, há casos importantes em que ele não é. Um deles é encontrado nas plantas, onde um potencial de pressão negativa no xilema atrai água do solo para as raízes e para as folhas.

Potencial hídrico e umidade relativa

O potencial hídrico e a umidade relativa estão relacionados pela equação de Kelvin. Se você conhece a temperatura e a umidade, pode calcular o potencial hídrico usando esta equação

Onde Ψ é o potencial de água (MPa), _HR é a umidade relativa (sem unidade), R é a constante universal de gás (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW é a massa de água (18,02 g/mol) e T é a temperatura Kelvin.

O que é potencial hídrico? Pontos a serem lembrados

Potencial hídrico:

• Descreve o estado energético da água no ambiente
• Define a disponibilidade de água para os organismos

Pontos principais:

• A água sempre fluirá do potencial alto para o potencial baixo
• Essa é a segunda lei da termodinâmica - a energia flui ao longo do gradiente da variável intensiva

Domine os conceitos básicos

Neste webinar, o Dr. Doug Cobos diferencia o potencial hídrico do conteúdo de água e discute a teoria, a aplicação e os principais componentes do potencial hídrico.