الجهد المائي

يعتمد جهد الضغط على الضغط الميكانيكي، وهو عنصر مهم من إجمالي جهد الماء داخل الخلايا النباتية . يزداد جهد الضغط مع دخول الماء إلى الخلية. فعندما يمر الماء عبر جدار الخلية وغشائها ، تزداد كمية الماء الموجودة داخلها، مما يُولّد ضغطًا خارجيًا تُقاومه صلابة جدار الخلية. ومن خلال توليد هذا الضغط، تستطيع النبتة الحفاظ على ضغط الامتلاء ، الذي يسمح لها بالحفاظ على صلابتها. وبدون ضغط الامتلاء، تفقد النباتات بنيتها وتذبل .

يكون جهد الضغط في الخلية النباتية موجبًا عادةً. أما في الخلايا المنكمشة ، فيكون جهد الضغط شبه معدوم. ويحدث جهد ضغط سالب عندما يُسحب الماء عبر نظام مفتوح، مثل أوعية الخشب في النبات . وتُعدّ مقاومة جهد الضغط السالب (الذي يُسمى غالبًا بالتوتر ) تكيفًا مهمًا للخشب. ويمكن قياس هذا التوتر تجريبيًا باستخدام جهاز قياس الضغط .

يُعرَّف الماء النقي عادةً بأنه ذو جهد تناضحي (${\displaystyle \Psi _{\pi }}$) يساوي صفرًا، وفي هذه الحالة، لا يمكن أن يكون جهد المذاب موجبًا أبدًا. تُعطى العلاقة بين تركيز المذاب (بالمولارية) وجهد المذاب بواسطة معادلة فان هوف :

${\displaystyle \Psi _{\pi }=-MiRT}$

أين${\displaystyle M}$هو تركيز المذاب بالمولارية،${\displaystyle i}$هو عامل فان هوف ، وهو نسبة كمية الجسيمات في المحلول إلى كمية وحدات الصيغة المذابة.${\displaystyle R}$هو ثابت الغاز المثالي ، و${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة المطلقة.

على سبيل المثال، عند إذابة مادة مذابة في الماء، تقل احتمالية انتشار جزيئات الماء بعيدًا عبر الخاصية الأسموزية مقارنةً بعدم وجود مادة مذابة. وبالتالي، يكون للمحلول جهد مائي أقل، وبالتالي أكثر سلبية، من الماء النقي. علاوة على ذلك، كلما زاد عدد جزيئات المادة المذابة، زادت سلبية الجهد المائي.

للجهد الأسموزي آثار مهمة على العديد من الكائنات الحية . فإذا كانت الخلية الحية محاطة بمحلول أكثر تركيزًا، فإنها ستميل إلى فقدان الماء بسبب الجهد المائي الأكثر سلبية.${\displaystyle \Psi _{w}}$(من البيئة المحيطة). ينطبق هذا على الكائنات البحرية التي تعيش في مياه البحر والنباتات الملحية التي تنمو في بيئات مالحة . في حالة الخلية النباتية، قد يؤدي تدفق الماء خارج الخلية في النهاية إلى انفصال الغشاء البلازمي عن جدار الخلية، مما يؤدي إلى انكماش الخلية . مع ذلك، تمتلك معظم النباتات القدرة على زيادة تركيز المواد المذابة داخل الخلية لدفع تدفق الماء إلى داخلها والحفاظ على ضغط الامتلاء.

يمكن استخدام هذا التأثير لتشغيل محطة طاقة تناضحية . ^{[ 2 ]}

يُعاني محلول التربة أيضًا من فرق الجهد الأسموزي. وينشأ هذا الفرق نتيجة وجود مواد مذابة عضوية وغير عضوية في محلول التربة. فمع ازدياد تجمع جزيئات الماء حول أيونات أو جزيئات المواد المذابة، تقل حرية حركة الماء، وبالتالي تقل طاقته الكامنة. ومع ازدياد تركيز المواد المذابة، ينخفض ​​فرق الجهد الأسموزي لمحلول التربة. ولأن الماء يميل إلى التحرك نحو مستويات الطاقة المنخفضة، فإنه سيتجه نحو منطقة تركيز المواد المذابة الأعلى. ومع ذلك، لن يتحرك الماء السائل استجابةً لاختلافات فرق الجهد الأسموزي إلا بوجود غشاء شبه منفذ بين منطقتي الجهد الأسموزي العالي والمنخفض. يُعد الغشاء شبه المنفذ ضروريًا لأنه يسمح بمرور الماء ويمنع مرور المواد المذابة. وفي حال عدم وجود غشاء، فإن حركة المواد المذابة، وليس الماء، هي التي تُعادل التركيزات إلى حد كبير.

بما أن مناطق التربة لا تفصلها عادةً أغشية شبه منفذة، فإن الجهد الأسموزي عادةً ما يكون له تأثير ضئيل على حركة الماء في التربة. من ناحية أخرى، يؤثر الجهد الأسموزي بشكل كبير على معدل امتصاص الماء من قِبل النباتات. فإذا كانت التربة غنية بالأملاح الذائبة، فمن المرجح أن يكون الجهد الأسموزي في محلول التربة أقل منه في خلايا جذور النبات. في مثل هذه الحالات، يُقيّد محلول التربة بشدة معدل امتصاص الماء من قِبل النباتات. في التربة المالحة، قد يكون الجهد الأسموزي لماء التربة منخفضًا جدًا لدرجة أن خلايا الشتلات الصغيرة تبدأ بالانكماش ( الانكماش البلازمي ).

عندما يتلامس الماء مع جزيئات صلبة (مثل جزيئات الطين أو الرمل في التربة )، قد تكون قوى التجاذب بين جزيئات الماء والمادة الصلبة كبيرة وهامة. تُعزز هذه القوى، بالإضافة إلى التجاذب بين جزيئات الماء نفسها، التوتر السطحي وتكوين السطوح الهلالية داخل المادة الصلبة. ويتطلب كسر هذه السطوح قوة. يعتمد مقدار جهد المادة الصلبة على المسافات بين الجزيئات الصلبة - عرض السطوح الهلالية (بالإضافة إلى الخاصية الشعرية واختلاف الضغط عند طرفي الشعيرة) - والتركيب الكيميائي للمادة الصلبة (السطح الهلالي، والحركة الكلية الناتجة عن التجاذب الأيوني).

في كثير من الحالات، قد تكون القيمة المطلقة لجهد المصفوفة كبيرة نسبيًا مقارنةً بمكونات جهد الماء الأخرى المذكورة سابقًا. يُقلل جهد المصفوفة بشكل ملحوظ من مستوى طاقة الماء بالقرب من أسطح الجزيئات. ورغم أن حركة الماء الناتجة عن جهد المصفوفة قد تكون بطيئة، إلا أنها تظل بالغة الأهمية في تزويد جذور النباتات بالماء وفي التطبيقات الهندسية. يكون جهد المصفوفة سالبًا دائمًا لأن الماء الذي تجذبه مصفوفة التربة يكون في حالة طاقة أقل من الماء النقي. يظهر جهد المصفوفة فقط في التربة غير المشبعة فوق مستوى الماء الجوفي. عندما يقترب جهد المصفوفة من الصفر، تكون جميع مسام التربة تقريبًا ممتلئة تمامًا بالماء، أي مشبعة تمامًا وبأقصى قدرة احتفاظ . يختلف جهد المصفوفة اختلافًا كبيرًا بين أنواع التربة. في حالة تصريف الماء إلى مناطق تربة أقل رطوبة ذات مسامية مماثلة، يكون جهد المصفوفة عمومًا في نطاق يتراوح بين -10 و -30 كيلو باسكال.

عند جهد 0 كيلو باسكال، تكون التربة في حالة تشبع. في هذه الحالة ، تمتلئ جميع مسامات التربة بالماء، وعادةً ما يتسرب الماء من المسامات الكبيرة بفعل الجاذبية. عند جهد -33 كيلو باسكال، أو -1/3 بار (-10 كيلو باسكال للرمل)، تكون التربة في حالة السعة الحقلية . عادةً، في حالة السعة الحقلية، يتواجد الهواء في المسامات الكبيرة، والماء في المسامات الصغيرة. تُعد السعة الحقلية الحالة المثلى لنمو النباتات والنشاط الميكروبي. عند جهد -1500 كيلو باسكال، تكون التربة عند نقطة ذبولها الدائم ، حيث لا تستطيع جذور النباتات امتصاص الماء عن طريق الانتشار الأسموزي. تستمر قنوات التربة في التبخر عند جهود سالبة أكثر وصولاً إلى مستوى استرطابي، حيث يُحتفظ بماء التربة بواسطة جزيئات صلبة في طبقة رقيقة بفعل قوى التماسك الجزيئي.

في المقابل، تكون إمكانات الماء في الغلاف الجوي أكثر سلبية بكثير، حيث تبلغ القيمة النموذجية للهواء الجاف -100 ميجا باسكال، مع العلم أن هذه القيمة تعتمد على درجة الحرارة والرطوبة. يجب أن يكون جهد الماء في الجذور أكثر سلبية من جهد الماء في التربة، وأن يكون جهد الماء في الساق قيمة متوسطة أقل من جهد الماء في الجذور ولكنها أعلى من جهد الماء في الأوراق، وذلك لخلق تدفق سلبي للماء من التربة إلى الجذور، ثم صعودًا عبر الساق، إلى الأوراق، ومن ثم إلى الغلاف الجوي. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

يمكن استخدام مقياس التوتر السطحي ، أو كتلة الجبس المقاومة للكهرباء ، أو مجسات النيوترونات ، أو تقنية قياس الانعكاس الزمني (TDR) لتحديد طاقة الوضع المائية للتربة. يقتصر نطاق قياس التوتر السطحي على 0 إلى -85 كيلو باسكال، بينما يقتصر نطاق قياس كتل الجبس المقاومة للكهرباء على -90 إلى -1500 كيلو باسكال، ومجسات النيوترونات على 0 إلى -1500 كيلو باسكال، أما تقنية قياس الانعكاس الزمني (TDR) فتقتصر على 0 إلى -10000 كيلو باسكال. ويمكن استخدام ميزان لتقدير وزن الماء (النسبة المئوية للتركيب) في حال عدم توفر المعدات المتخصصة.