Кіріспе
Судың көлемі бірлігіне шаққандағы белгілі жағдайлардағы суға қатысты потенциалдық энергиясы. Су потенциалы – таза судың эталондық жағдайларындағы судың көлемі бірлігіне шаққандағы потенциалдық энергиясы. Су потенциалы осмоз, гравитация, механикалық қысым және капиллярлық әрекет сияқты матрицалық әсерлер (беттік кернеудің салдарынан туындайтын) салдарынан судың бір аймақтан екінші аймаққа қозғалу бейінділігін сандық тұрғыда бағалайды. Су потенциалының түсінігі өсімдіктер, жануарлар және топырақ ішіндегі су қозғалысын түсіну және есептеу үшін пайдалы болып табылады. Су потенциалы әдетте көлем бірлігіне шаққандағы потенциалдық энергиямен өрнектеледі және көбінесе грек әрпі ψ арқылы белгіленеді. Су потенциалы су қозғалысын қамтамасыз ететін әртүрлі потенциалды күштерді біріктіреді, олар бірдей немесе әртүрлі бағыттарда әрекет ете алады. Күрделі биологиялық жүйелерде көптеген потенциалды факторлар бір уақытта әрекет етуі мүмкін. Мысалы, еріген заттардың қосылуы потенциалды төмендетеді (теріс вектор), ал қысымның жоғарылауы потенциалды арттырады (оң вектор). Ағын шектелмесе, су жоғары су потенциалы бар аймақтан төменгі потенциалы бар аймаққа қарай қозғалады. Көрініс беретін мысал – тұз еріген су, мысалы, теңіз суы немесе тірі жасушадағы сұйықтық. Бұл ерітінділер таза суға қатысты теріс су потенциалына ие. Ағын шектелмесе, су үлкен потенциалдан (таза су) кішкентай потенциалға (ерітінді) қарай қозғалады; ағын потенциалдардың айырмашылығы қысым немесе биіктік сияқты басқа су потенциалының факторымен теңестірілгенге дейін жалғасады.
Water potential is the potential energy of water per unit volume relative to pure water in reference conditions. Water potential quantifies the tendency of water to move from one area to another due to osmosis, gravity, mechanical pressure and matrix effects such as capillary action (which is caused by surface tension). The concept of water potential has proved useful in understanding and computing water movement within plants, animals, and soil. Water potential is typically expressed in potential energy per unit volume and very often is represented by the Greek letter ψ. Water potential integrates a variety of different potential drivers of water movement, which may operate in the same or different directions. Within complex biological systems, many potential factors may be operating simultaneously. For example, the addition of solutes lowers the potential (negative vector), while an increase in pressure increases the potential (positive vector). If the flow is not restricted, water will move from an area of higher water potential to an area that is lower potential. A common example is water with dissolved salts, such as seawater or the fluid in a living cell. These solutions have negative water potential, relative to the pure water reference. With no restriction on flow, water will move from the locus of greater potential (pure water) to the locus of lesser (the solution); flow proceeds until the difference in potential is equalized or balanced by another water potential factor, such as pressure or elevation.
Қысым потенциалы
Қысым потенциалы механикалық қысымға негізделген және өсімдік жасушаларындағы жалпы су потенциалының маңызды бөлігі болып табылады. Су жасушаға енгенде қысым потенциалы артады. Су жасуша қабырғасы мен жасуша мембранасы арқылы өте келе, жасуша ішіндегі су мөлшері артып, сыртқа қарай қысым тудырады, оған жасуша қабырғасының құрылымдық беріктігі қарсы тұрады. Осы қысым арқасында өсімдік тургорды сақтай алады, бұл оған беріктігін ұстауға мүмкіндік береді. Тургор болмаса, өсімдік құрылымын жоғалтып, солып қалады. Өсімдік жасушасындағы қысым потенциалы көбінесе оң болады. Плазмолизделген жасушаларда қысым потенциалы дерлік нөлге жуық. Су ашық жүйе арқылы, мысалы, өсімдік ксилемасы арқылы тартылғанда теріс қысым потенциалы пайда болады. Теріс қысым потенциалына төтеп беру (жиі кернеу деп аталады) – ксилеманың маңызды бейімделу қасиеті. Бұл кернеуді қысым бомбасы арқылы тәжірибелік жолмен өлшеуге болады.
Матрицалық потенциал (Матрицалық потенциал)
Су қатты бөлшектермен (мысалы, топырақтағы саз немесе құм бөлшектерімен) жанасқанда, су мен қатты дене арасындағы жабысқақ молекуларалық күштер үлкен және маңызды болуы мүмкін. Су молекулалары мен қатты бөлшектер арасындағы күштер, су молекулаларының өзара тартылысымен бірігіп, қатты матрица ішінде беттік кернеуді және менісктердің қалыптасуын қамтамасыз етеді. Осы менісктерді бұзу үшін күш қажет. Матрицалық потенциалдың шамасы қатты бөлшектердің арақашықтығына, менісктердің еніне (сондай-ақ капиллярлық әрекет және капилляр ұштарындағы қысымның айырмашылығына) және қатты матрицаның химиялық құрамына (меніск, иондық тартылысқа байланысты макроскопиялық қозғалыс) байланысты. Көп жағдайда матрицалық потенциалдың абсолюттік шамасы жоғарыда талданған су потенциалының басқа компоненттерімен салыстырғанда айтарлықтай үлкен болуы мүмкін. Матрицалық потенциал бөлшектер бетіне жақын судың энергиялық күйін күрт төмендетеді. Матрицалық потенциалға байланысты су қозғалысы баяу болғанымен, өсімдік тамырларын сумен қамтамасыз етуде және инженерлік қолдануларда өте маңызды. Матрицалық потенциал әрқашан теріс болады, себебі топырақ матрицасы тартқан судың энергиялық күйі таза судан төмен болады. Матрицалық потенциал тек су деңгейінен жоғарыда орналасқан қанықпаған топырақта ғана пайда болады. Егер матрицалық потенциал нөлге жақын болса, топырақтың барлық дерлік кеуектері сумен толығымен толтырылады, яғни толық қанықтырылып, максималды су ұстау қабілетіне жетеді. Матрицалық потенциал топырақ түрлеріне қарай айтарлықтай өзгеріп отыруы мүмкін. Егер су ұқсас кеуектілігі бар, бірақ ылғалдылығы аз топырақ аймақтарына ағып өтсе, матрицалық потенциал әдетте -10-нан -30 кПа аралығында болады.
Топырақ-өсімдік-ауа үзіліссіздігі
0 кПа потенциалында топырақ толық қанығу күйінде болады. Толық қанығу кезінде топырақтың барлық кеуектері сумен толы болады, ал су әдетте гравитация күшімен ірі кеуектерден ағып шығады. -33 кПа немесе -1/3 бар (құм үшін -10 кПа) потенциалында топырақ далалық сыйымдылығында болады. Әдетте, далалық сыйымдылықта ауа макрокеуектерде, ал су микрокеуектерде орналасады. Далалық сыйымдылық өсімдік өсуі және микробиологиялық белсенділік үшін оңтайлы жағдай ретінде қарастырылады. -1500 кПа потенциалында топырақ өздігінен қурап қалу шегіне жетеді, онда өсімдік тамырлары осмостық диффузия арқылы суды сіңіре алмайды. Топырақ арналары гигроскопиялық деңгейге дейін одан да теріс потенциалдарда булануы мүмкін, онда топырақ суы молекулалық адгезия күштері арқылы қатты бөлшектерде жұқа пленка түрінде ұсталады. Керісінше, атмосфералық су потенциалы әлдеқайда теріс – құрғақ ауа үшін типикалық мән -100 МПа, бірақ бұл мән температура мен ылғалға байланысты. Тамыр суының потенциалы топырақтан теріс болуы керек, ал сабақтағы су потенциалы тамырдан төмен, бірақ жапырақ суының потенциалынан жоғары болуы керек, бұл топырақтан тамырларға, сабаққа, жапырақтарға және содан кейін атмосфераға судың пассивті ағынын қамтамасыз етеді.
Өлшеу әдістері
Топырақ суының потенциалдық энергиясын анықтау үшін тензиометр, электрлік кедергісі бар гипс блогы, нейтрондық зондтар немесе уақыт доменінің рефлектометриясы (TDR) қолданылуы мүмкін. Тензиометрлер 0-ден -85 кПа-ға дейін, электрлік кедергі блогы -90-нан -1500 кПа-ға дейін, нейтрондық зондтар 0-ден -1500 кПа-ға дейін, ал TDR 0-ден -10 000 кПа-ға дейін шектеледі. Егер арнайы жабдықтар қолжетімді болмаса, судың мөлшерін (пайыздық құрамын) бағалау үшін шкала қолданылуы мүмкін.