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Definition des Wasserpotentials

Definition des Wasserpotentials

Das Wasserpotential beschreibt die Verfügbarkeit von Wasser in einem System (z. B. Boden, Pflanzengewebe oder Luft). Es wird zur Beschreibung der Wasseraufnahme und des Wassertransports und mit dem griechischen Buchstaben Psi bezeichnet. Differenzen bzw. Gradienten des Wasserpotentials treiben den Wassertransport an, wobei das Wasser vom Ort mit dem höheren zum Ort mit dem niedrigeren Potential fließt (z. B. Boden – Wurzel, Blatt – Luft).

Ein Beispiel:

Vergleichen wir an dieser Stelle einmal 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 und unter Druck oder Spannung verdünnt sind. In der Tat hat das Bodenwasser einen anderen Energiezustand als das “freie” Wasser. Das freie Wasser kann ohne Energieaufwand genutzt werden. Das Bodenwasser kann nur durch Energieaufwand aus dem Boden herausgelöst werden. Das Wasserpotential drückt dabei aus, wie viel Energie benötigt, um das Wasser aus der Bodenprobe herauszulösen.

Wasserpotential ist eine differenzielle Größe, es muss also eine Referenz angegeben werden, damit die Messung eine Bedeutung hat. Die typische Referenz ist reines, freies Wasser an der Bodenoberfläche. Das Wasserpotential dieser Referenz ist Null, das Wasserpotential in der Umgebung ist fast immer kleiner als Null, denn man muss Energie hinzufügen, um das Wasser herauszulösen.

Intensive vs. extensive Größen

Wasserbewegungen in der Umwelt sind ein physikalisches Problem. Um es zu verstehen, müssen wir zwischen intensiven und extensiven Größen unterscheiden. Die extensive Größe beschreibt das Ausmaß oder die Menge an Materie oder Energie. Die intensive Größe beschreibt die Intensität oder Qualität der Materie oder Energie. Der thermische Zustand einer Substanz kann zum Beispiel sowohl anhand des Wärmegehalts als auch der Temperatur beschrieben werden.

Die beiden Variablen sind miteinander verwandt, aber dennoch nicht gleich. Der Wärmegehalt hängt von der Masse, der spezifischer Wärme und der Temperatur. Wer lediglich den Wärmegehalt misst, weiß nicht, ob Wärme auch übertragen wird, wenn sich beide Objekte berühren. Ergo weiß man auch nicht, ob das Objekt heiß oder kalt ist und man es gefahrlos berühren kann.

Das Wasserpotential ist die Antwort auf zwei Schlüsselfragen.

1. Wasserbewegung

Wasser fließt immer von hohem Potenzial zu niedrigem Potenzial. Dies ist das zweite Gesetz der Thermodynamik – Energie fließt entlang des Gradienten der intensiven Größe.

2. Pflanzenverfügbarkeit

Flüssiges Wasser bewegt sich durch den Boden, zu den Wurzeln, durch das Xylem der Pflanzen, bis zu den Blättern und verdampft schließlich in den substomatären Höhlen des Blattes. Diese Bewegung wird vom Wasserpotentialgradienten angetrieben. Damit das Wasserfließt, muss das Pflanzenwasserpotential niedriger sein als das Bodenwasserpotential.

Obwohl es wichtig ist, sowohl intensive als auch extensive Größen zu messen, ist es doch die intensive Variable, die Ihnen die entscheidenden Informationen liefert. In Bezug auf das Wasser, ist die extensive Variable der Wassergehalt, also die Menge an Wasser im Pflanzengewebe oder im Boden. Die intensive Variable dagegen ist das Wasserpotential und das beschreibt die Intensität oder Qualität des Wassers im Boden oder der Pflanze. Wenn sie also Fragen zur Wasserverfügbarkeit und -bewegung haben, messen Sie das Wasserpotential.

Wasserpotential wird häufig als Bodenwasserspannung, Matrixpotential, Bodenabsaugung und Boden-Poren-Wasserdruck bezeichnet. Typischerweise werden Druckeinheiten verwendet, um Wasserpotentiale zu beschreiben, einschließlich Megapascal (MPa), Kilopascal (kPa), Bar und Meter (mH2O), Zentimeter (cmH2O) oder Millimeter (mmH2O) – jeweils in Bezug auf Wasser.

Das Wasserpotential wird in Energie pro Masseeinheit gemessen, so dass die verwendeten Maßeinheit eigentlich Joules pro Kilogramm sein sollte. Berücksichtigt man jedoch die Dichte des Wasser, muss die Druckeinheit Kilopascal sein.

Wasserpotential – Zerlegung in Teilpotentiale:

Das gesamte Wasserpotential ist die Summe von vier verschiedenen Teilpotentialen.

Matrixpotential:

Bindung von Wasser an Oberflächen

Osmotisches Potential

Bindung an gelöste Stoffe im Wasser

Gravitationspotenzial:

Einfluss der Lageenergie auf das Wasser

Druckpotential:

Hydrostatischer oder pneumatischer Druck auf das Wasser

Matrixpotential

Das Matrixpotential entsteht, weil Wasser durch die Wasserstoffbrücken und die van der Waals-Kräfte von den meisten Oberflächen angezogen wird. Der Boden besteht aus kleinen Partikeln und bietet daher viele Oberflächen, die Wasser anziehen und binden. Diese Bindung hängt immer stark vom Bodentyp ab. Zum Beispiel hat ein sandiger Boden große Teilchen, die weniger oberflächenbindende Partikel bereitstellen, während ein Lehmboden kleinere Teilchen und mehr oberflächenbindende Partikel aufweist.

In der untenstehenden Abbildung sehen Sie die Feuchtigkeitsverlustkurven für drei verschiedene Arten von Böden und beschreibt die Wirkung der jeweiligen Oberfläche.
• Sand, der 10% Wasser enthält, hat ein hohes mathematisches Potential, und das Wasser ist für Organismen und Pflanzen leicht zugänglich.
• Schlick/Lehm, mit 10% Wasser, wird ein viel niedrigeres Matrixpotential haben, und das Wasser wird deutlich weniger verfügbar sein.

Das Matrixpotential ist immer negativ oder null und ist der wichtigste Bestandteil des Bodenwasserpotentials in ungesättigten Bedingungen.

Abbildung 1. Feuchtigkeitsverlust-Kurven für drei verschiedene Bodenarten beschreibt die die Wirkung der Oberfläche.

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Osmotisches Potenzial

Das osmotisches Potential beschreibt die Verdünnung und Bindung von Wasser durch im Wasser gelöste Stoffe.

Das osmotisches Potential wirkt sich nur auf ein System aus, wenn es eine semipermeable Barriere gibt, die den Durchgang von gelösten Stoffen blockiert – was in der Natur häufig vorkommt. Pflanzenwurzeln erlauben es zum Beispiel, das in sie eindringt, blockieren aber die meisten gelösten Stoffe. Auch Zellmembranen bilden auch semipermeable Schicht. Ein weniger offensichtliches Beispiel ist die Luft-Wasser-Grenzfläche, bei der Wasser in der Dampfphase in die Luft gelangen kann, Salze jedoch zurückbleiben.

Mit der folgenden Gleichung lässt sich das osmotische Potential berechnen. Voraussetzung ist, dass Sie die Konzentration des gelösten Stoffes im Wasser kennen.

C ist die Konzentration des gelösten Stoffes (mol / kg)
ɸ ist der osmotische Koeffizient (-0,9 bis 1 für die meisten gelösten Stoffe)
v die Anzahl der Ionen pro Mol (NaCl = 2, CaCl2 = 3, Saccharose = 1)
R ist die universelle Gaskonstante (8.3143 J mol-1 K-1)
T ist die Temperatur in Kelvin

Das osmotisches Potenzial ist immer negativ oder null und kann in Pflanzen und einigen salzbehandelten Böden signifikant sein und Einfluss auf andere Messungen haben.

Gravitationspotential

Das Gravitationspotential beschreibt den Einfluss der Lageenergie auf das Wasser. Es kann positiv oder negativ sein, je nachdem, wie die Lage in Bezug auf die angegebene Referenz (also in Bezug auf reines, freies Wasser an der Bodenoberfläche) ist. Das Gravitationspotential berechnet sich aus:

G ist die Gravitationskonstante (9,8 ms-2)
H ist der vertikale Abstand von der Referenzhöhe zur Bodenoberfläche (die spezifische Höhe)

Druckpotential

Das Druckpotential ist der hydrostatische oder pneumatische Druck, der auf das Wasser wirkt. Das Druckpotential hat eher eine makroskopische Wirkung und wirkt in einer größeren Region des Systems.

Es gibt mehrere interessante Beispiele für ein positives Druckpotential in der Natur. Zum Beispiel gibt es unter der Oberfläche des Grundwassers einen positiven Druck. Man kann den Druck selbst fühlen, wie man in einem See oder Pool schwimmt. Der Turgordruck, also der Druck des Zellsaftes auf die pflanzenwand, oder der Blutdruck bei Tieren sind zwei weitere Beispiele für ein positives Druckpotential. Mit folgender Gleichung wird das Druckpotential berechnet:

 

P ist der Druck (Pa)
PW ist die Dichte von Wasser

Obwohl das Druckpotential in der Regel positiv ist, gibt es Fälle, wo dem nicht so ist. In Pflanzen findet man ein negatives Druckpotential im Xylem, wenn Wasser aus dem Boden durch die Wurzeln und in die Blätter gezogen wird.

Wasserpotential und relative Feuchtigkeit

Das Wasserpotential und die relative Feuchtigkeit stehen durch die Kelvin-Gleichung in einer mathematischen Beziehung. Wenn Sie Temperatur und Feuchtigkeit kennen, können Sie das Wasserpotential mit dieser Gleichung berechnen:

Ψ ist das Wasserpotential (MPa)
HR ist die relative Feuchtigkeit (ohne Einheit)
R ist die universelle Gaskonstante (8.3143 J mol-1 K-1)
MW ist die Masse an Wasser (18,02 g / mol)
T ist die Temperatur in Kelvin

Zusammenfassung:

Water potential:

Wasserpotential: Beschreibt den Energiezustand von Wasser und definiert die Verfügbarkeit von Wasser für Organismen.
Schwerpunkte: Wasser fließt immer von hohem Potenzial zu niedrigem Potenzial, Energie entlang des Gradienten der intensiven Größe.

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