БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

IІ. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ РОСЛИНА-ҐРУНТ-ПОВІТРЯ

6. ПЕРЕНОС МАСИ

6.4. КОМПОНЕНТИ ВОДНОГО ПОТЕНЦІАЛУ

Водний потенціал характеризується певними компонентами, що забезпечують потоки води: Ψ_в = Ψ_g + Ψ_s + Ψ_р + Ψ_м, де Ψ_g, Ψ_s, Ψ_р та Ψ_м - потенціали, що визначають вплив гравітації, розчинених речовин, тиску та матриці відповідно на вільну енергію води.

Гравітаційний потенціал Ψ_g визначається потенціальною енергією, яку має Вода на висоті h відносно опорного рівня (наприклад, земної поверхні):

де ρ_в - густина води, g - прискорення вільного падіння, h - висота місцезнаходження води. Величина p_вg дорівнює 9,8·10^-3 МПа·м^-1. Отже, якщо вода піднялася на висоту 1 м, зміна гравітаційного потенціалу становитиме ΔΨ_g = 0,01 МПа; на висоту 10 м (середнього дерева); ΔΨ_g = 0,1 МПа; на висоту 100 м (секвої); ΔΨ_g = 1 МПа.

Приклад. Визначити гравітаційний потенціал 2 кг чистої води на висоті 1 м над рівнем земної поверхні.

Розв’язання. Потенціальна енергія води дорівнює Е_п=mgh = 2 кг·9,806 кг·м·с^-2·1 м = 19,61 Дж.

Потенціальна енергія одиниці маси становить E_п/m = gh = 9,8 Дж.

Потенціальна енергія одного моля дорівнює (Е_п/m)·0,018 = 0,18 Дж·моль^-1.

Об’єм, який займає вода масою 2 кт, визначимо за виразом V = m/ρ = 2 кг/10³кг·м^-3 = 2·10^-3 м³.

Отже, потенціальна енергія одиниці об’єму води становить Е_п/V = 19,61 Дж/2·10^-3 м³ = 9,806·10^-3 Па.

Гравітаційний потенціал додатний вище опорного рівня та від’ємний нижче цього рівня. Для типових умов, в яких розвиваються сільськогосподарські рослини, гравітаційним потенціалом можна знехтувати.

Осмотичний потенціал Ψ_s залежить від концентрації розчинених у клітинах речовин (катіонів, солей, органічних кислот, цукрів, амінокислот). Збільшення концентрації розчинених речовин викликає збільшення осмотичного тиску. Величину осмотичного тиску можна оцінити за допомогою такої практичної формули:

де С - концентрація розчиненої речовини (моль·л^-1), ф - осмотичний коефіцієнт (ф = 1 для ідеально розчиненої речовини та ф = 0,1 для реальних розчинів у живому організмі), v - кількість іонів, що припадає на молекулу (наприклад, v = 2 для NaCl, v = 3 для СаСl₂ тощо), R - універсальна газова стала (8,314 Дж·моль^-1·К^-1), Т - абсолютна Температура.

Величини RT та осмотичного потенціалу залежно від температури Т наведено в табл. 6.1.

Таблиця 6.1. Величини RT та осмотичного потенціалу залежно від температури

Осмотичний потенціал завжди має від’ємну величину, яка варіює в межах від -2,5 до -1,5 МПа.

Приклад. Визначити концентрацію цукрового розчину при температурі 30 °С, якщо осмотичний потенціал дорівнює -0,252 МПа.

Розв’язання. Використовуємо рівняння (6.9) і знаходимо концентрацію розчину:

Звідки:

У літературі використовують ще одну одиницю ВИМІРЮВАННЯ ВОДНОГО ПОТЕНЦІАЛУ, а саме Дж·кг^-1. Ця одиниця витікає із виразу:

де Ψ - водний потенціал, р - тиск, ρ_s - густина води.

Підставимо одиниці вимірювань в останнє рівняння:

Для води, густина якої дорівнює ρ_в = 10³ кг·м^-3, 1 Дж·кг^-1 відповідає 10^-3 МПа.

Приклад. Визначити тургорний потенціал рослинного соку, якщо повний водний потенціал становить - 700 Дж·кг^-1, а осмотичний потенціал еквівалентний концентрації 0,3 моль·кг^-1 КСl.

Розв’язання. Підставимо числові значення у рівняння (6.9):

Звідси тургорний потенціал визначиться так:

Ця величина відповідає 0,761 МПа.

Потенціал тиску ψ виражається у вигляді або гідростатичного тиску в судинах ксилеми (провідної Тканини, що здійснює основне транспортування води і мінеральних речовин у рослині), або тургорного потенціалу клітин. Тургорний потенціал у клітині виникає внаслідок тиску клітинної оболонки як відгук на осмотичний тиск. Діапазон зміни тургорного потенціалу становить 0-1,2 МПа. Максимального значення тургорний потенціал досягає, коли сумарні водні потоки завдяки тургору та осмосу досягають однакової величини, але протилежні за напрямком.

Матричний потенціал ψ_м характеризує зменшення вільної енергії води, якщо вона існує у вигляді тонкого поверхневого шару в одну-дві молекули товщиною, який утворюється на поверхні частинок сухого ґрунту, клітинних оболонок, целюлози. Таку назву цей потенціал отримав, оскільки він оцінює процес усмоктування води, внаслідок якого вона запишається в матриці. Матричний потенціал виникає завдяки силам зв'язування молекул води зі структурними елементами або колоїдами (сили Ван-дер-Ваальса та водневого зв'язку), внаслідок чого здатність цих молекул брати участь у хімічних реакціях в основній масі розчину та випаровуватися у зовнішнє газове середовище зменшується. Матричний потенціал завжди від'ємний або дорівнює нулю. В живих рослинних клітинах матричний потенціал незначний через відсутність просторових повітряних просторів.

Діапазони зміни водного потенціалу та його основних компонентів залежно від вмісту води наведено в табл. 6.2.

Таблиця 6.2. Типові значення компонентів водного потенціалу в системі ґрунт-рослина-атмосфера [Нобел, 1970]