إمكانات المياه: المكونات والطرق والأمثلة - بيئة - 2026

و إمكانات المياه هي الطاقة الحرة أو قادرة على القيام بعمل، والتي لديها حجم معين من الماء. وبالتالي ، فإن المياه الموجودة على قمة شلال أو شلال لها إمكانات مائية عالية ، على سبيل المثال ، قادرة على تحريك التوربينات.

الرمز المستخدم للإشارة إلى إمكانات المياه هو الحرف اليوناني الكبير المسمى psi ، والذي يُكتب Ψ. يتم قياس إمكانات الماء لأي نظام بالرجوع إلى الإمكانات المائية للمياه النقية في ظل ظروف تعتبر قياسية (ضغط 1 جو ونفس ارتفاع ودرجة حرارة النظام المراد دراسته).

القدرة التناضحية. المصدر: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

العوامل التي تحدد إمكانات الماء هي الجاذبية ودرجة الحرارة والضغط والماء وتركيز المواد المذابة الموجودة في الماء. تحدد هذه العوامل تكوين التدرجات المحتملة للماء وهذه التدرجات تؤدي إلى انتشار الماء.

بهذه الطريقة ، ينتقل الماء من موقع به إمكانات مائية عالية إلى موقع آخر به إمكانات مائية منخفضة. مكونات جهد الماء هي الجهد التناضحي (تركيز المواد المذابة في الماء) ، جهد الماتريك (التصاق الماء بالمصفوفات المسامية) ، جهد الجاذبية وإمكانات الضغط.

تعد معرفة إمكانات المياه ضرورية لفهم عمل مختلف الظواهر الهيدرولوجية والبيولوجية. وتشمل هذه امتصاص الماء والمغذيات من قبل النباتات وتدفق المياه في التربة.

مكونات امكانات المياه

تتكون إمكانات الماء من أربعة مكونات: الجهد التناضحي ، والجهد المترابط ، وإمكانات الجاذبية ، وإمكانات الضغط. يحدد عمل هذه المكونات وجود تدرجات الجهد المائي.

الجهد الاسموزي (Ψs)

عادة ، لا يكون الماء في حالته النقية ، لأنه يحتوي على مواد صلبة مذابة (مذابة) ، مثل الأملاح المعدنية. يتم إعطاء الجهد التناضحي من خلال تركيز المواد المذابة في المحلول.

فكلما زادت كمية المواد المذابة ، قلت الطاقة الحرة للماء ، أي قل احتمال الماء. لذلك ، يحاول الماء إنشاء توازن من خلال التدفق من المحاليل ذات التركيز المنخفض من المواد المذابة إلى المحاليل ذات التركيز العالي من المواد المذابة.

جهد المصفوفة أو المصفوفة (Ψm)

في هذه الحالة ، يكون العامل المحدد هو وجود مصفوفة أو بنية مادة قابلة للتمهيد ، أي أن لها صلة بالمياه. هذا بسبب قوى الالتصاق التي تنشأ بين الجزيئات ، وخاصة الروابط الهيدروجينية المتكونة بين جزيئات الماء ، وذرات الأكسجين ، ومجموعات الهيدروكسيل (OH).

على سبيل المثال ، يعتبر التصاق الماء بطين التربة حالة من إمكانات المياه بناءً على إمكانات ماتريك. تولد هذه المصفوفات عن طريق جذب الماء إمكانات مائية موجبة ، وبالتالي فإن الماء خارج المصفوفة يتدفق نحوها ويميل إلى البقاء في الداخل كما يحدث في الإسفنج.

الارتفاع أو جهد الجاذبية (Ψg)

إن قوة جاذبية الأرض في هذه الحالة هي التي تحدد التدرج المحتمل ، لأن الماء سوف يميل إلى الانخفاض. الماء الموجود على ارتفاع معين له طاقة حرة تحددها الجاذبية التي تمارسها الأرض على كتلتها.

حركة الماء بالجاذبية. المصدر: بلال أحمد / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

على سبيل المثال ، يسقط الماء الموجود في خزان الماء المرتفع بحرية أسفل الأنبوب وينتقل بهذه الطاقة الحركية (الحركة) حتى يصل إلى الصنبور.

جهد الضغط (Ψp)

في هذه الحالة ، يكون للماء تحت الضغط طاقة حرة أكبر ، أي إمكانات مائية أكبر. لذلك ، سينتقل هذا الماء من حيث يكون تحت الضغط إلى حيث لا يوجد ، وبالتالي هناك طاقة حرة أقل (إمكانات مائية أقل).

على سبيل المثال ، عندما نقوم بجرعة القطرات باستخدام قطارة ، بالضغط على مقبض المطاط ، فإننا نطبق ضغطًا يعطي الطاقة للماء. بسبب هذه الطاقة الحرة العالية ، ينتقل الماء إلى الخارج حيث يكون الضغط أقل.

طرق تحديد إمكانات المياه

هناك مجموعة متنوعة من الطرق لقياس إمكانات المياه ، بعضها مناسب للتربة ، والبعض الآخر للأنسجة ، والأنظمة الهيدروليكية الميكانيكية وغيرها. تعادل إمكانات الماء وحدات الضغط ويتم قياسها في الغلاف الجوي أو القضبان أو الباسكال أو psi (رطل لكل بوصة مربعة في اختصارها باللغة الإنجليزية).

فيما يلي بعض هذه الطرق:

مضخة Scholander أو غرفة الضغط

إذا كنت ترغب في قياس إمكانات المياه لأوراق النبات ، فيمكنك استخدام غرفة الضغط أو مضخة Scholander. يتكون هذا من غرفة محكمة الإغلاق حيث يتم وضع الورقة بأكملها (الورقة مع سويقتها).

قياس الجهد المائي لورقة بغرفة ضغط. المصدر: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

ثم يتم زيادة الضغط داخل الحجرة عن طريق إدخال غاز مضغوط ، وقياس الضغط الذي يتم الوصول إليه عن طريق مقياس ضغط. يتزايد ضغط الغاز على الورقة ، لدرجة أن الماء الموجود فيها يتدفق من خلال الأنسجة الوعائية للسويقة.

يتوافق الضغط الذي يشير إليه مقياس الضغط عند خروج الماء من الورقة مع قدرة الورقة المائية.

مجسات الضغط

هناك عدة بدائل لقياس إمكانات المياه باستخدام أدوات خاصة تسمى مجسات الضغط. وهي مصممة لقياس الإمكانات المائية للتربة ، بناءً على إمكانات matric.

على سبيل المثال ، هناك مجسات رقمية تعمل على أساس إدخال مصفوفة خزفية مسامية متصلة بجهاز استشعار الرطوبة في التربة. يتم ترطيب هذا الخزف بالماء الموجود داخل التربة حتى يصل إلى توازن بين إمكانات الماء داخل مصفوفة السيراميك وإمكانات الماء للتربة.

بعد ذلك ، يحدد المستشعر محتوى الرطوبة في السيراميك ويقدر الإمكانات المائية للتربة.

Microcapillary مع مسبار الضغط

هناك أيضًا مجسات قادرة على قياس إمكانات الماء في أنسجة النبات ، مثل جذع النبات. يتكون النموذج من أنبوب رفيع للغاية ورقيق (أنبوب مكروي) يتم إدخاله في الأنسجة.

عند اختراق الأنسجة الحية ، يتبع المحلول الموجود في الخلايا تدرجًا محتملاً محددًا بالضغط الموجود في الجذع ويتم إدخاله في الميكروبيلي. عندما يدخل السائل من الجذع إلى الأنبوب ، فإنه يدفع الزيت الموجود فيه والذي ينشط مسبار الضغط أو مقياس الضغط الذي يعين قيمة مقابلة لإمكانية الماء

تغيرات في الوزن أو الحجم

لقياس إمكانات الماء بناءً على الإمكانات التناضحية ، يمكن تحديد اختلافات الوزن لنسيج مغمور في محاليل بتركيزات مختلفة من المذاب. لهذا الغرض ، يتم تحضير سلسلة من أنابيب الاختبار ، كل منها يحتوي على تركيز متزايد معروف للمذاب ، على سبيل المثال السكروز (السكر).

أي إذا كان هناك 10 سم مكعب من الماء في كل من 5 أنابيب ، يضاف 1 مجم من السكروز في الأنبوب الأول ، و 2 مجم في الثانية ، وبالتالي ما يصل إلى 5 مجم في الأنبوب الأخير. لذلك لدينا بطارية متزايدة من تركيزات السكروز.

بعد ذلك ، يتم قطع 5 أقسام من الوزن المتساوي والمعروف من الأنسجة التي سيتم تحديد إمكاناتها المائية (على سبيل المثال قطع البطاطس). ثم يتم وضع مقطع في كل أنبوب اختبار وبعد ساعتين ، تتم إزالة أقسام الأنسجة ووزنها.

النتائج المتوقعة والتفسير

من المتوقع أن تفقد بعض القطع وزنها نتيجة فقدان الماء ، بينما يكتسب البعض الآخر وزنًا بسبب امتصاصها للماء ، بينما تحافظ قطع أخرى على الوزن.

أولئك الذين فقدوا الماء كانوا في محلول حيث كان تركيز السكروز أكبر من تركيز الذائبة داخل الأنسجة. لذلك ، تدفقت المياه وفقًا لتدرج الجهد التناضحي من أعلى تركيز إلى أدنى ، وفقدت الأنسجة الماء والوزن.

في المقابل ، كانت الأنسجة التي اكتسبت الماء والوزن في محلول بتركيز سكروز أقل من تركيز المواد المذابة داخل الأنسجة. في هذه الحالة ، يفضل التدرج المحتمل التناضحي دخول الماء إلى الأنسجة.

أخيرًا ، في تلك الحالة التي حافظت فيها الأنسجة على وزنها الأصلي ، يُستنتج أن التركيز الذي وُجد فيه له نفس تركيز المذاب. لذلك ، سوف يتوافق هذا التركيز مع إمكانات الماء للأنسجة المدروسة.

أمثلة

امتصاص الماء بواسطة النباتات

تحتاج الشجرة التي يبلغ ارتفاعها 30 مترًا إلى نقل المياه من الأرض إلى الورقة الأخيرة ، ويتم ذلك من خلال نظام الأوعية الدموية. هذا النظام عبارة عن نسيج متخصص يتكون من خلايا ميتة وتبدو وكأنها أنابيب رفيعة جدًا.

حركة الماء في النباتات. المصدر: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

أصبح النقل ممكنًا بفضل الاختلافات في إمكانات المياه التي تتولد بين الغلاف الجوي والورقة ، والتي بدورها تنتقل إلى نظام الأوعية الدموية. تفقد الورقة الماء في الحالة الغازية بسبب التركيز العالي لبخار الماء فيها (إمكانات مائية أعلى) مقارنة بالبيئة (إمكانات مائية أقل).

يولد فقدان البخار ضغطًا سلبيًا أو شفطًا يدفع الماء من أوعية نظام الأوعية الدموية نحو شفرة الورقة. ينتقل هذا الشفط من وعاء إلى وعاء حتى الوصول إلى الجذر ، حيث يتم امتصاص الخلايا والفراغات بين الخلايا بالماء الممتص من التربة.

يخترق الماء القادم من التربة الجذور بسبب الاختلاف في الجهد التناضحي بين الماء في خلايا البشرة في الجذر وتلك الموجودة في التربة. يحدث هذا لأن الخلايا الجذرية تحتوي على مواد مذابة بتركيزات أعلى من مياه التربة.

الصمغ

تحتفظ العديد من النباتات في البيئات الجافة بالمياه عن طريق إنتاج مادة صمغية (مادة لزجة) يتم تخزينها في فجواتها. تحتفظ هذه الجزيئات بالماء ، مما يقلل من طاقتها الحرة (إمكانات الماء المنخفضة) ، وفي هذه الحالة يكون المكون الماتريك لإمكانات الماء حاسمًا.

خزان مياه مرتفع

في حالة وجود نظام إمداد بالمياه يعتمد على خزان مرتفع ، فإنه يتم ملؤه بالماء بسبب تأثير جهد الضغط. الشركة التي تقدم خدمة المياه تضغط عليها باستخدام المضخات الهيدروليكية وبالتالي تتغلب على قوة الجاذبية للوصول إلى الخزان.

بمجرد امتلاء الخزان ، يتم توزيع الماء منه بفضل اختلاف محتمل بين المياه المخزنة في الخزان ومنافذ المياه في المنزل. يؤدي فتح صنبور إلى إنشاء تدرج محتمل للجاذبية بين ماء الصنبور ومياه الخزان.

لذلك ، فإن الماء الموجود في الخزان يحتوي على طاقة حرة أعلى (إمكانات مائية أعلى) وينخفض ​​بشكل أساسي بسبب قوة الجاذبية.

انتشار الماء في التربة

المكون الرئيسي لإمكانيات التربة المائية هو إمكانات الماتريك ، بالنظر إلى قوة الالتصاق التي تنشأ بين الطين والماء. من ناحية أخرى ، تؤثر احتمالية الجاذبية على التدرج الرأسي للإزاحة للماء في التربة.

تعتمد العديد من العمليات التي تحدث في التربة على الطاقة الحرة للمياه الموجودة في التربة ، أي على إمكاناتها المائية. وتشمل هذه العمليات تغذية النبات والنتح ، وتسرب مياه الأمطار ، وتبخر المياه من التربة.

في الزراعة ، من المهم تحديد الإمكانات المائية للتربة من أجل تطبيق الري والتسميد بشكل صحيح. إذا كانت إمكانات التربة عالية جدًا ، فسيظل الماء مرتبطًا بالطين ولن يكون متاحًا للامتصاص بواسطة النباتات.

المراجع

1. بوسو ، كاليفورنيا (2008). استخدام غرفة الضغط والمقاييس النفسية المزدوجة الحرارية في تحديد العلاقات المائية في أنسجة النبات. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz، WC، Pérez-Gutiérrez، A.، Latournerie-Moreno، L.، May-Lara، C.، Ruiz-Sánchez، E. and Martínez-Chacón، AJ (2012). استخدام المياه ، إمكانات المياه وإنتاجية فلفل الهابانيرو (C apsicum chinense J acq.). مجلة فيتوتكنيا ميكسيكانا.
3. سالزبوري ، إف بي وروس ، سي دبليو (1991). فيزياء النبات. وادسورث للنشر.
4. Scholander، P.، Bradstreet، E.، Hemmingsen، E. and Hammel، H. (1965). ضغط النسغ في النباتات الوعائية: يمكن قياس الضغط الهيدروستاتيكي السلبي في النباتات. علم.
5. Squeo ، FA (2007). المياه والقدرة المائية. في: Squeo ، FA و Cardemil ، L. (محرران). فيزياء النبات. طبعات جامعة لاسيرينا