TIỀM NĂNG NƯỚC: THÀNH PHẦN, PHƯƠNG PHÁP VÀ VÍ DỤ - MÔI TRƯỜNG - 2025

Thế năng của nước là năng lượng tự do hoặc có khả năng sinh công, có một khối lượng nước nhất định. Do đó, nước ở đỉnh thác hoặc thác nước có tiềm năng nước cao, chẳng hạn, có khả năng làm chuyển động tuabin.

Biểu tượng được sử dụng để chỉ tiềm năng nước là chữ cái Hy Lạp viết hoa được gọi là psi, được viết Ψ. Điện thế nước của bất kỳ hệ thống nào được đo theo thế nước của nước tinh khiết trong các điều kiện được coi là tiêu chuẩn (áp suất của 1 bầu khí quyển và cùng độ cao và nhiệt độ của hệ thống được nghiên cứu).

Thế năng thẩm thấu. Nguồn: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Các yếu tố quyết định thế nước là trọng lực, nhiệt độ, áp suất, hydrat hóa và nồng độ các chất hòa tan có trong nước. Những yếu tố này xác định sự hình thành các gradient thế nước và những gradient này thúc đẩy sự khuếch tán của nước.

Theo cách này, nước sẽ di chuyển từ vị trí có tiềm năng nước cao sang vị trí khác có tiềm năng nước thấp. Các thành phần của thế nước là thế thẩm thấu (nồng độ các chất hòa tan trong nước), thế matric (độ bám dính của nước với nền xốp), thế năng hấp dẫn và thế năng áp suất.

Kiến thức về tiềm năng nước là điều cần thiết để hiểu hoạt động của các hiện tượng thủy văn và sinh học khác nhau. Chúng bao gồm sự hấp thụ nước và chất dinh dưỡng của thực vật và dòng chảy của nước trong đất.

Các thành phần của tiềm năng nước

Thế nước được tạo thành từ bốn thành phần: thế thẩm thấu, thế năng chín, thế năng trọng trường và thế năng áp suất. Hoạt động của các thành phần này xác định sự tồn tại của gradient thế hydric.

Tiềm năng thẩm thấu (Ψs)

Thông thường, nước không ở trạng thái tinh khiết, vì nó có chất rắn hòa tan trong đó (chất hòa tan), chẳng hạn như muối khoáng. Thế năng thẩm thấu được cho bởi nồng độ của các chất tan trong dung dịch.

Lượng chất tan hòa tan càng lớn thì năng lượng tự do của nước càng ít, tức là thế năng của nước càng ít. Do đó, nước cố gắng thiết lập trạng thái cân bằng bằng cách chảy từ dung dịch có nồng độ chất tan thấp sang dung dịch có nồng độ chất tan cao.

Ma trận hoặc tiềm năng ma trận (Ψm)

Trong trường hợp này, yếu tố quyết định là sự hiện diện của nền hoặc cấu trúc vật liệu có thể ngậm nước, tức là nó có ái lực với nước. Điều này là do lực kết dính được tạo ra giữa các phân tử, đặc biệt là các liên kết hydro được hình thành giữa các phân tử nước, nguyên tử oxy và nhóm hydroxyl (OH).

Ví dụ, sự kết dính của nước với đất sét là một trường hợp của tiềm năng nước dựa trên thế chín. Các ma trận này bằng cách hút nước tạo ra một thế nước dương, do đó nước bên ngoài ma trận chảy về phía nó và có xu hướng ở bên trong khi nó xảy ra trong một miếng bọt biển.

Chiều cao hoặc thế năng hấp dẫn (Ψg)

Lực hấp dẫn của Trái đất trong trường hợp này là lực thiết lập nên gradien thế năng, vì nước sẽ có xu hướng rơi xuống dưới. Nước nằm ở độ cao nhất định có năng lượng tự do được xác định bởi lực hút mà Trái đất tác dụng lên khối lượng của nó.

Chuyển động của nước theo trọng lực. Nguồn: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Ví dụ, nước trong một bể nước nâng cao rơi tự do xuống đường ống và truyền động (chuyển động) đó cho đến khi đến vòi.

Điện thế áp suất (Ψp)

Trong trường hợp này, nước dưới áp suất có năng lượng tự do lớn hơn, tức là thế năng của nước lớn hơn. Do đó, nước này sẽ di chuyển từ nơi có áp lực đến nơi không chịu áp lực, và do đó có ít năng lượng tự do hơn (thế năng của nước ít hơn).

Ví dụ, khi chúng ta giảm liều bằng cách sử dụng ống nhỏ giọt, bằng cách nhấn vào núm cao su, chúng ta đang tạo một áp suất cung cấp năng lượng cho nước. Do năng lượng tự do cao hơn, nước di chuyển ra bên ngoài nơi có áp suất thấp hơn.

Phương pháp xác định tiềm năng nước

Có nhiều phương pháp để đo tiềm năng nước, một số phù hợp với đất, một số khác cho mô, cho các hệ thống thủy lực cơ học và các phương pháp khác. Thế nước tương đương với các đơn vị áp suất và được đo bằng khí quyển, thanh, pascal hoặc psi (pound trên inch vuông trong từ viết tắt của nó trong tiếng Anh).

Dưới đây là một số phương pháp sau:

Máy bơm hoặc buồng áp suất Scholander

Nếu bạn muốn đo thế nước của lá cây, bạn có thể sử dụng buồng áp suất hoặc máy bơm Scholander. Nó bao gồm một buồng kín khí, nơi đặt toàn bộ lá (tấm với cuống lá).

Đo thế nước của lá bằng buồng áp lực. Nguồn: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Sau đó, áp suất bên trong buồng được tăng lên bằng cách đưa vào một khí có áp suất, đo áp suất đạt được bằng áp kế. Áp suất của khí lên lá ngày càng tăng, đến mức nước chứa trong nó trào ra ngoài qua mô mạch của cuống lá.

Áp suất do áp kế chỉ ra khi nước ra khỏi lá tương ứng với thế nước của lá.

Đầu dò áp suất

Có một số lựa chọn thay thế để đo tiềm năng nước bằng dụng cụ đặc biệt gọi là đầu dò áp suất. Chúng được thiết kế để đo lường tiềm năng nước của đất, chủ yếu dựa trên tiềm năng trưởng thành.

Ví dụ, có những đầu dò kỹ thuật số hoạt động trên cơ sở đưa một ma trận gốm xốp kết nối với cảm biến độ ẩm vào đất. Loại gốm này được ngậm nước với nước bên trong đất cho đến khi nó đạt đến sự cân bằng giữa thế nước trong nền gốm và thế nước trong đất.

Sau đó, cảm biến xác định độ ẩm của gốm và ước tính tiềm năng nước của đất.

Vi mao quản với đầu dò áp suất

Ngoài ra còn có các đầu dò có khả năng đo lường tiềm năng nước trong các mô thực vật, chẳng hạn như thân cây. Mô hình bao gồm một ống rất mỏng, có đầu nhỏ (ống vi mô) được đưa vào mô.

Khi thâm nhập vào mô sống, dung dịch chứa trong các tế bào sẽ tuân theo một gradien điện thế được xác định bởi áp suất chứa trong thân cây và được đưa vào microyle. Khi chất lỏng từ thân vào ống, nó đẩy một loại dầu chứa trong đó, kích hoạt đầu dò áp suất hoặc áp kế ấn định giá trị tương ứng với thế nước

Sự thay đổi về trọng lượng hoặc thể tích

Để đo thế nước dựa trên thế thẩm thấu, có thể xác định các biến thể trọng lượng của một mô được ngâm trong dung dịch ở các nồng độ khác nhau của chất hòa tan. Đối với điều này, một loạt các ống nghiệm được chuẩn bị, mỗi ống nghiệm có nồng độ chất tan tăng dần đã biết, ví dụ như đường sucrose (đường).

Nói cách khác, nếu có 10 cc nước trong mỗi ống trong số 5 ống, thì 1 mg sacaroza được thêm vào trong ống đầu tiên, 2 mg vào ống thứ hai và do đó lên đến 5 mg ở ống cuối cùng. Vì vậy, chúng tôi có một pin nồng độ sucrose tăng lên.

Sau đó, 5 phần có trọng lượng bằng nhau và đã biết được cắt ra từ mô có thế nước cần được xác định (ví dụ như miếng khoai tây). Một phần sau đó được đặt vào mỗi ống nghiệm và sau 2 giờ, các phần mô được lấy ra và cân.

Kết quả mong đợi và diễn giải

Một số miếng được cho là sẽ giảm cân do mất nước, những miếng khác sẽ tăng cân vì chúng hấp thụ nước, và những miếng khác sẽ duy trì trọng lượng.

Những chất bị mất nước nằm trong dung dịch có nồng độ đường sucrose lớn hơn nồng độ chất hòa tan trong mô. Do đó, nước chảy theo gradien điện thế thẩm thấu từ nồng độ cao nhất đến thấp nhất, và mô bị mất nước và trọng lượng.

Ngược lại, mô tăng nước và trọng lượng ở trong dung dịch có nồng độ đường sucrose thấp hơn nồng độ chất hòa tan trong mô. Trong trường hợp này, gradien tiềm năng thẩm thấu tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của nước vào mô.

Cuối cùng, trong trường hợp mô duy trì trọng lượng ban đầu, người ta suy ra rằng nồng độ mà nó được tìm thấy có cùng nồng độ chất tan. Do đó, nồng độ này sẽ tương ứng với thế nước của mô được nghiên cứu.

Ví dụ

Cây hút nước

Một cây cao 30 m cần vận chuyển nước từ mặt đất đến chiếc lá cuối cùng, và điều này được thực hiện thông qua hệ thống mạch của nó. Hệ thống này là một mô chuyên biệt được tạo thành từ các tế bào đã chết và trông giống như những ống rất mỏng.

Chuyển động của nước trong thực vật. Nguồn: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Sự vận chuyển có thể thực hiện được nhờ vào sự khác biệt về tiềm năng nước được tạo ra giữa khí quyển và lá, đến lượt nó được truyền đến hệ mạch. Lá mất nước ở thể khí do nồng độ hơi nước trong đó cao hơn (thế nước cao hơn) so với môi trường (thế nước thấp hơn).

Sự thất thoát hơi nước tạo ra áp suất âm hoặc lực hút đẩy nước từ các mạch của hệ mạch về phía phiến lá. Lực hút này được truyền từ mạch này sang mạch khác cho đến khi đến rễ, nơi các tế bào và khoảng gian bào được hấp thụ nước từ đất.

Nước từ đất xâm nhập vào rễ do có sự chênh lệch về điện thế thẩm thấu giữa nước trong tế bào biểu bì của rễ và đất. Điều này xảy ra do tế bào rễ có chất hòa tan ở nồng độ cao hơn nước trong đất.

Chất nhầy

Nhiều loài thực vật trong môi trường khô giữ nước bằng cách tạo ra chất nhầy (chất nhớt) được lưu trữ trong không bào của chúng. Các phân tử này giữ nước, làm giảm năng lượng tự do của nó (thế nước thấp), trong trường hợp này, thành phần chính yếu của thế nước là quyết định.

Bể nước trên cao

Trong trường hợp hệ thống cấp nước dựa trên một bể chứa trên cao, bể chứa sẽ chứa đầy nước do tác dụng của thế áp. Công ty cung cấp dịch vụ nước, tạo áp lực lên nó bằng cách sử dụng máy bơm thủy lực và do đó vượt qua lực hấp dẫn để tiếp cận bể chứa.

Khi bể chứa đầy, nước sẽ được phân phối ra khỏi bể đó nhờ sự chênh lệch tiềm năng giữa nước chứa trong bể và các đầu ra nước trong nhà. Mở một vòi nước sẽ thiết lập một gradient thế năng hấp dẫn giữa nước trong vòi và nước trong bể.

Do đó, nước trong bể có năng lượng tự do cao hơn (thế năng của nước cao hơn) và rơi xuống chủ yếu do tác dụng của trọng lực.

Sự khuếch tán của nước trong đất

Thành phần chính của tiềm năng nước của đất là tiềm năng trưởng thành, dựa trên lực kết dính được thiết lập giữa đất sét và nước. Mặt khác, thế năng của trọng lực ảnh hưởng đến gradien dịch chuyển thẳng đứng của nước trong đất.

Nhiều quá trình xảy ra trong đất phụ thuộc vào năng lượng tự do của nước chứa trong đất, nghĩa là vào tiềm năng nước của nó. Các quá trình này bao gồm dinh dưỡng thực vật và thoát hơi nước, thấm nước mưa và bốc hơi nước từ đất.

Trong nông nghiệp, việc xác định tiềm năng nước của đất là rất quan trọng để thực hiện tưới và bón phân hợp lý. Nếu tiềm năng thành thục của đất rất cao, nước sẽ vẫn bám vào đất sét và sẽ không có sẵn để cây hấp thụ.

Người giới thiệu

1. Busso, CA (2008). Sử dụng buồng đo áp suất và psychrometer cặp nhiệt điện trong việc xác định quan hệ thủy lực trong mô thực vật. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. và Martínez-Chacón, AJ (2012). Sử dụng nước, tiềm năng nước và năng suất của tiêu habanero (C apsicum chinense J acq.). Tạp chí Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB và Ross, CW (1991). Sinh lý thực vật. Nhà xuất bản Wadsworth.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. và Hammel, H. (1965). Áp suất Sap trong thực vật có mạch: Áp suất thủy tĩnh âm có thể được đo trong thực vật. Khoa học.
5. Squeo, FA (2007). Tiềm năng nước và hydric. Trong: Squeo, FA và Cardemil, L. (Eds.). Sinh lý thực vật. Các ấn bản của Đại học La Serena