ศักยภาพของน้ำ: ส่วนประกอบวิธีการและตัวอย่าง - สิ่งแวดล้อม - 2025

ศักยภาพน้ำเป็นพลังงานหรือความสามารถในการทำผลงานซึ่งมีปริมาณหนึ่งของน้ำ ดังนั้นน้ำที่อยู่ด้านบนของน้ำตกหรือน้ำตกจึงมีศักยภาพของน้ำสูงที่สามารถเคลื่อนย้ายกังหันได้เช่นกัน

สัญลักษณ์ที่ใช้เพื่ออ้างถึงศักยภาพของน้ำคืออักษรกรีกตัวใหญ่ที่เรียกว่า psi ซึ่งเขียนว่าΨ ศักยภาพของน้ำของระบบใด ๆ จะถูกวัดโดยอ้างอิงถึงศักยภาพของน้ำของน้ำบริสุทธิ์ภายใต้เงื่อนไขที่ถือว่าเป็นมาตรฐาน (ความดัน 1 บรรยากาศและความสูงและอุณหภูมิเดียวกันของระบบที่จะศึกษา)

ศักยภาพออสโมติก ที่มา: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

ปัจจัยที่กำหนดศักยภาพของน้ำ ได้แก่ แรงโน้มถ่วงอุณหภูมิความดันความชุ่มชื้นและความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่มีอยู่ในน้ำ ปัจจัยเหล่านี้กำหนดการก่อตัวของการไล่ระดับสีที่มีศักยภาพของน้ำและการไล่ระดับสีเหล่านี้ทำให้เกิดการแพร่กระจายของน้ำ

ด้วยวิธีนี้น้ำจะเคลื่อนจากบริเวณที่มีน้ำสูงไปยังอีกที่หนึ่งซึ่งมีศักยภาพในการให้น้ำต่ำ ส่วนประกอบของศักย์น้ำ ได้แก่ ศักย์ออสโมติก (ความเข้มข้นของตัวถูกละลายในน้ำ) ศักย์เมทริก (การยึดเกาะของน้ำกับเมทริกซ์ที่มีรูพรุน) ศักย์โน้มถ่วงและศักย์แรงดัน

ความรู้เกี่ยวกับศักยภาพของน้ำเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจการทำงานของปรากฏการณ์ทางอุทกวิทยาและชีวภาพต่างๆ ซึ่งรวมถึงการดูดซึมน้ำและธาตุอาหารของพืชและการไหลของน้ำในดิน

ส่วนประกอบของน้ำที่มีศักยภาพ

ศักยภาพของน้ำประกอบด้วยองค์ประกอบ 4 ส่วน ได้แก่ ศักย์ออสโมติกศักย์เมทริกศักย์แรงโน้มถ่วงและศักย์แรงดัน การกระทำของส่วนประกอบเหล่านี้กำหนดการมีอยู่ของการไล่ระดับสีที่เป็นไปได้ของไฮดริก

ศักยภาพออสโมติก (Ψs)

โดยปกติน้ำไม่ได้อยู่ในสภาพบริสุทธิ์เนื่องจากมีของแข็งละลายอยู่ในนั้น (ตัวถูกละลาย) เช่นเกลือแร่ ศักยภาพในการออสโมติกได้รับจากความเข้มข้นของตัวถูกละลายในสารละลาย

ปริมาณตัวถูกละลายที่ละลายได้สูงขึ้นมีพลังงานอิสระของน้ำน้อยลงนั่นคือศักยภาพของน้ำน้อยลง ดังนั้นน้ำจึงพยายามสร้างสมดุลโดยการไหลจากสารละลายที่มีตัวถูกละลายความเข้มข้นต่ำไปยังสารละลายที่มีตัวถูกละลายความเข้มข้นสูง

เมทริกซ์หรือเมทริกซ์ศักย์ (Ψm)

ในกรณีนี้ปัจจัยที่กำหนดคือการมีเมทริกซ์หรือโครงสร้างของวัสดุที่ละลายน้ำได้กล่าวคือมีความสัมพันธ์กับน้ำ เนื่องจากแรงยึดเกาะที่สร้างขึ้นระหว่างโมเลกุลโดยเฉพาะพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของน้ำอะตอมของออกซิเจนและกลุ่มไฮดรอกซิล (OH)

ตัวอย่างเช่นการยึดเกาะของน้ำกับดินเหนียวเป็นกรณีของศักยภาพของน้ำตามศักยภาพของเมทริกซ์ เมทริกซ์เหล่านี้โดยการดึงดูดน้ำทำให้เกิดศักยภาพของน้ำในเชิงบวกดังนั้นน้ำภายนอกเมทริกซ์จึงไหลเข้าหามันและมีแนวโน้มที่จะอยู่ภายในเมื่อเกิดขึ้นในฟองน้ำ

ความสูงหรือศักย์โน้มถ่วง (Ψg)

ในกรณีนี้แรงโน้มถ่วงของโลกคือแรงที่สร้างการไล่ระดับสีที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากน้ำมีแนวโน้มที่จะตกลงไปด้านล่าง น้ำที่อยู่ที่ระดับความสูงหนึ่งจะมีพลังงานอิสระซึ่งกำหนดโดยแรงดึงดูดที่โลกกระทำต่อมวลของมัน

การเคลื่อนที่ของน้ำตามแรงโน้มถ่วง ที่มา: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

ตัวอย่างเช่นน้ำในถังเก็บน้ำที่ยกสูงจะตกลงมาตามท่ออย่างอิสระและเดินทางด้วยพลังงานจลน์ (การเคลื่อนที่) นั้นจนกว่าจะถึงก๊อก

ศักย์แรงดัน (Ψp)

ในกรณีนี้น้ำภายใต้ความกดดันจะมีพลังงานอิสระมากกว่านั่นคือศักยภาพของน้ำที่มากขึ้น ดังนั้นน้ำนี้จะเคลื่อนที่จากที่ที่มันอยู่ภายใต้แรงกดดันไปยังที่ที่ไม่อยู่และส่งผลให้มีพลังงานอิสระน้อยลง (ศักยภาพของน้ำน้อยลง)

ตัวอย่างเช่นเมื่อเราหยดยาโดยใช้หลอดหยดโดยการกดปุ่มยางเราจะใช้แรงดันที่ให้พลังงานกับน้ำ เนื่องจากพลังงานอิสระที่สูงขึ้นนี้น้ำจึงเคลื่อนไปด้านนอกซึ่งความดันต่ำกว่า

วิธีการตรวจสอบศักยภาพของน้ำ

มีหลายวิธีในการวัดศักยภาพของน้ำบางวิธีเหมาะสำหรับดินวิธีอื่นสำหรับเนื้อเยื่อสำหรับระบบไฮดรอลิกเชิงกลและอื่น ๆ ศักยภาพของน้ำเทียบเท่ากับหน่วยของความดันและวัดได้ในบรรยากาศบาร์ปาสคาลหรือ psi (ปอนด์ต่อตารางนิ้วในตัวย่อในภาษาอังกฤษ)

นี่คือบางส่วนของวิธีการเหล่านี้:

Scholander Pump หรือ Pressure Chamber

หากคุณต้องการวัดศักยภาพน้ำของใบพืชคุณสามารถใช้ห้องแรงดันหรือปั๊ม Scholander ประกอบด้วยห้องสุญญากาศที่วางทั้งใบ (แผ่นที่มีก้านใบ)

การวัดศักยภาพน้ำของใบไม้ด้วยห้องแรงดัน ที่มา: Pressurebomb.svg: งาน Aibdescalzoderivative: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

จากนั้นความดันภายในห้องจะเพิ่มขึ้นโดยการนำก๊าซที่มีแรงดันมาวัดความดันที่มาถึงโดยใช้เครื่องวัดความดัน ความดันของก๊าซบนใบเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่น้ำที่อยู่ในใบพุ่งออกมาทางเนื้อเยื่อหลอดเลือดของก้านใบ

ความดันที่ระบุโดยมาโนมิเตอร์เมื่อน้ำออกจากใบไม้สอดคล้องกับศักยภาพในการให้น้ำของใบไม้

หัววัดแรงดัน

มีหลายทางเลือกในการวัดศักยภาพของน้ำโดยใช้เครื่องมือพิเศษที่เรียกว่าโพรบแรงดัน ออกแบบมาเพื่อวัดศักยภาพน้ำของดินโดยพิจารณาจากศักยภาพของเมทริกเป็นหลัก

ตัวอย่างเช่นมีหัววัดดิจิทัลที่ทำงานบนพื้นฐานของการนำเมทริกซ์เซรามิกที่มีรูพรุนเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ความชื้นลงในดิน เซรามิกนี้ถูกไฮเดรตกับน้ำภายในดินจนกว่าจะถึงความสมดุลระหว่างศักยภาพของน้ำภายในเมทริกซ์เซรามิกและศักยภาพน้ำของดิน

ต่อจากนั้นเซ็นเซอร์จะกำหนดปริมาณความชื้นของเซรามิกและประเมินศักยภาพของน้ำในดิน

จุลภาคพร้อมหัววัดความดัน

นอกจากนี้ยังมีหัววัดที่สามารถวัดศักยภาพของน้ำในเนื้อเยื่อของพืชเช่นลำต้นของพืช แบบจำลองประกอบด้วยท่อปลายแหลม (micropillar tube) ที่บางมากซึ่งสอดเข้าไปในเนื้อเยื่อ

เมื่อเจาะเนื้อเยื่อที่มีชีวิตสารละลายที่มีอยู่ในเซลล์จะเป็นไปตามการไล่ระดับสีที่เป็นไปได้ซึ่งกำหนดโดยความดันที่มีอยู่ในลำต้นและถูกนำเข้าสู่ไมโครไพล์ เมื่อของเหลวจากลำต้นเข้าสู่ท่อจะดันน้ำมันที่บรรจุอยู่ในนั้นซึ่งจะเปิดใช้งานหัววัดความดันหรือมาโนมิเตอร์ที่กำหนดค่าที่สอดคล้องกับศักยภาพของน้ำ

ความแปรผันของน้ำหนักหรือปริมาตร

ในการวัดศักยภาพของน้ำโดยพิจารณาจากศักยภาพในการออสโมติกสามารถกำหนดความแปรผันของน้ำหนักของเนื้อเยื่อที่แช่อยู่ในสารละลายที่ความเข้มข้นต่างกันของตัวถูกละลายได้ ด้วยเหตุนี้จึงมีการเตรียมหลอดทดลองหลายชุดโดยแต่ละหลอดมีความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่เพิ่มขึ้นเป็นที่รู้จักตัวอย่างเช่นซูโครส (น้ำตาล)

นั่นคือถ้ามีน้ำ 10 ซีซีในแต่ละหลอด 5 หลอดจะมีการเติมซูโครส 1 มก. ในหลอดแรก 2 มก. ในหลอดที่สองและสูงถึง 5 มก. ในหลอดสุดท้าย ดังนั้นเราจึงมีแบตเตอรี่ที่มีความเข้มข้นของซูโครสเพิ่มขึ้น

จากนั้นจึงตัด 5 ส่วนที่มีน้ำหนักเท่ากันและเป็นที่รู้จักออกจากเนื้อเยื่อซึ่งจะมีการกำหนดศักยภาพของน้ำ (เช่นชิ้นมันฝรั่ง) จากนั้นส่วนหนึ่งจะถูกวางลงในหลอดทดลองแต่ละอันและหลังจากผ่านไป 2 ชั่วโมงเนื้อเยื่อจะถูกนำออกและชั่งน้ำหนัก

ผลลัพธ์ที่คาดหวังและการตีความ

บางชิ้นคาดว่าจะลดน้ำหนักจากการสูญเสียน้ำส่วนชิ้นอื่น ๆ จะมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเพราะดูดซับน้ำและบางชิ้นก็จะรักษาน้ำหนักไว้ได้

ผู้ที่สูญเสียน้ำอยู่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของซูโครสมากกว่าความเข้มข้นของตัวถูกละลายภายในเนื้อเยื่อ ดังนั้นน้ำจึงไหลตามการไล่ระดับของศักย์ออสโมติกจากความเข้มข้นสูงสุดไปต่ำสุดและเนื้อเยื่อสูญเสียน้ำและน้ำหนัก

ในทางตรงกันข้ามเนื้อเยื่อที่ได้รับน้ำและน้ำหนักจะอยู่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของซูโครสต่ำกว่าความเข้มข้นของตัวถูกละลายภายในเนื้อเยื่อ ในกรณีนี้การไล่ระดับสีที่มีศักยภาพในการออสโมติกช่วยให้น้ำเข้าสู่เนื้อเยื่อ

ในที่สุดในกรณีที่เนื้อเยื่อคงน้ำหนักเดิมจะอนุมานได้ว่าความเข้มข้นที่พบมีความเข้มข้นของตัวถูกละลายเท่ากัน ดังนั้นความเข้มข้นนี้จะสอดคล้องกับศักยภาพน้ำของเนื้อเยื่อที่ศึกษา

ตัวอย่าง

การดูดซึมน้ำของพืช

ต้นไม้ที่มีความสูง 30 เมตรจำเป็นต้องลำเลียงน้ำจากพื้นดินไปยังใบสุดท้ายและจะทำผ่านระบบหลอดเลือดของมัน ระบบนี้เป็นเนื้อเยื่อเฉพาะที่ประกอบด้วยเซลล์ที่ตายไปแล้วและดูเหมือนท่อบาง ๆ

การเคลื่อนที่ของน้ำในพืช ที่มา: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

การขนส่งเป็นไปได้เนื่องจากความแตกต่างของศักยภาพของน้ำที่เกิดขึ้นระหว่างบรรยากาศและใบไม้ซึ่งจะถูกส่งไปยังระบบหลอดเลือด ใบไม้สูญเสียน้ำในสถานะก๊าซเนื่องจากไอน้ำที่มีความเข้มข้นสูงกว่า (ศักยภาพของน้ำที่สูงขึ้น) เมื่อเทียบกับสิ่งแวดล้อม (ศักยภาพของน้ำที่ต่ำกว่า)

การสูญเสียไอน้ำทำให้เกิดแรงดันลบหรือแรงดูดที่บังคับให้น้ำจากท่อของระบบหลอดเลือดไปยังใบมีด การดูดนี้จะถูกส่งจากเรือไปยังเรือจนถึงรากซึ่งเซลล์และช่องว่างระหว่างเซลล์จะถูกดูดซับด้วยน้ำที่ดูดซึมจากดิน

น้ำที่มาจากดินซึมผ่านรากเนื่องจากความแตกต่างของศักยภาพในการออสโมติกระหว่างน้ำในเซลล์หนังกำพร้าของรากและของดิน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากเซลล์รากมีตัวถูกละลายในความเข้มข้นสูงกว่าน้ำในดิน

เมือก

พืชหลายชนิดในสภาพแวดล้อมที่แห้งจะกักเก็บน้ำไว้โดยการผลิตเมือก (สารหนืด) ที่เก็บไว้ในแวคิวโอล โมเลกุลเหล่านี้กักเก็บน้ำลดพลังงานอิสระ (ศักยภาพของน้ำต่ำ) ในกรณีนี้องค์ประกอบเมทริกของศักยภาพของน้ำเป็นตัวชี้ขาด

ถังเก็บน้ำสูง

ในกรณีของระบบจ่ายน้ำที่ใช้ถังยกระดับน้ำก็จะเต็มไปด้วยเนื่องจากผลกระทบของความดัน บริษัท ที่ให้บริการน้ำได้กดดันโดยใช้ปั๊มไฮดรอลิกจึงเอาชนะแรงโน้มถ่วงที่จะไปถึงถัง

เมื่อถังเต็มน้ำจะถูกกระจายออกจากถังเนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างน้ำที่เก็บไว้ในถังและช่องจ่ายน้ำในบ้าน การเปิดก๊อกจะทำให้เกิดการไล่ระดับความโน้มถ่วงที่มีศักยภาพระหว่างน้ำในก๊อกและของถัง

ดังนั้นน้ำในถังจึงมีพลังงานอิสระสูงกว่า (ศักยภาพของน้ำที่สูงขึ้น) และตกลงมาเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นหลัก

การแพร่กระจายของน้ำในดิน

องค์ประกอบหลักของศักยภาพของน้ำในดินคือศักยภาพในการเป็นเมทริกเนื่องจากแรงยึดเกาะที่สร้างขึ้นระหว่างดินเหนียวและน้ำ ในทางกลับกันศักย์ของแรงโน้มถ่วงมีผลต่อการไล่ระดับการกระจัดในแนวตั้งของน้ำในดิน

กระบวนการหลายอย่างที่เกิดขึ้นในดินขึ้นอยู่กับพลังงานอิสระของน้ำที่มีอยู่ในดินกล่าวคือศักยภาพของน้ำ กระบวนการเหล่านี้รวมถึงโภชนาการของพืชและการคายน้ำการแทรกซึมของน้ำฝนและการระเหยของน้ำจากดิน

ในการเกษตรสิ่งสำคัญคือต้องกำหนดศักยภาพของน้ำในดินเพื่อใช้การชลประทานและการให้ปุ๋ยอย่างเหมาะสม ถ้าดินมีศักยภาพสูงมากน้ำจะยังคงติดอยู่กับดินเหนียวและพืชจะไม่สามารถดูดซึมได้

อ้างอิง

1. บัสโซแคลิฟอร์เนีย (2008). การใช้ห้องความดันและเครื่องวัดความดันเทอร์โมคัปเปิลในการกำหนดความสัมพันธ์ของไฮดริกในเนื้อเยื่อพืช ΦYTON
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A. , Latournerie-Moreno, L. , May-Lara, C. , Ruiz-Sánchez, E. และMartínez-Chacón, AJ (2012) การใช้น้ำศักยภาพของน้ำและผลผลิตของพริกฮาบาเนโร (C apsicum chinense J acq.) นิตยสาร Fitotecnia Mexicana
3. Salisbury, FB และ Ross, CW (1991) สรีรวิทยาของพืช. สำนักพิมพ์วัดส์เวิร์ ธ .
4. Scholander, P. , Bradstreet, E. , Hemmingsen, E. และ Hammel, H. (1965) Sap Pressure in Vascular Plants: สามารถวัดความดันไฮโดรสแตติกเชิงลบได้ในพืช วิทยาศาสตร์.
5. Squeo, FA (2007). ศักยภาพของน้ำและไฮดริก ใน: Squeo, FA และ Cardemil, L. (Eds.). สรีรวิทยาของพืช. ฉบับมหาวิทยาลัย La Serena