Bitki ve toprak sistemlerinde su hareketini anlamak için osmotik, basınç, matrik ve yerçekimi potansiyeli dahil su potansiyelini ve bileşenlerini hesaplayın.
Su potansiyeli, bitki fizyolojisi ve toprak biliminde bir sistemdeki suyun enerji durumunu ölçen ve su hareketinin yönünü tahmin eden temel bir kavramdır. Atmosferik basınç ve yer seviyesinde saf suya göre su moleküllerinin potansiyel enerjisini temsil eder ve megapaskal (MPa), bar veya kilopaskal (kPa) gibi basınç birimleriyle ifade edilir. Su potansiyelini anlamak, bitkilerin topraktan suyu nasıl emdiğini, vasküler dokular aracılığıyla nasıl taşıdığını ve sonunda terleme yoluyla atmosfere nasıl kaybettiğini kavramak için gereklidir. Kavram, fizikteki yerçekimi potansiyel enerjisine benzer şekilde çalışır: tıpkı nesnelerin potansiyel enerjilerini azaltmak için doğal olarak aşağı hareket etmesi gibi, su da denge sağlanana kadar daha yüksek su potansiyeline sahip bölgelerden daha düşük su potansiyeline sahip bölgelere akar. Standart koşullarda saf su sıfır su potansiyeline sahiptir ve suyun serbest enerjisini azaltan herhangi bir faktör su potansiyelini daha negatif yapar. Bitki hücreleri, çevreleyen toprak solüsyonundan daha yüksek çözünen konsantrasyonlarını koruyarak kök hücrelerinin içinde osmoz yoluyla su emilimini yönlendiren daha negatif bir su potansiyeli oluşturur. Bu gradient bitki boyunca devam eder; su potansiyeli köklerden gövdeler yoluyla yapraklara doğru giderek daha negatif hale gelir; burada kuru havaya buharlaşma, sistemdeki en negatif su potansiyelini oluşturur ve kök uçlarından yaprak yüzeylerine uzanan ksilem damarları aracılığıyla suyu yukarı doğru sürekli bir sütun halinde çeker.
Toplam su potansiyeli, sistemdeki suyun genel enerji durumunu toplamsal olarak belirleyen birkaç bileşen potansiyelinden oluşur. Çözünen potansiyel olarak da adlandırılan osmotik potansiyel, çözünmüş çözünenlerin neden olduğu su potansiyelindeki azalmayı yansıtır ve çözünenler suyun serbest enerjisini azalttığı için her zaman negatif bir değer katkıda bulunur. Daha yüksek çözünen konsantrasyonları daha negatif osmotik potansiyeller yaratır; bu, deniz suyunun ve tuzlu toprakların fiziksel varlığa rağmen çoğu bitkinin kullanamayacağı çok negatif su potansiyellerine sahip olmasını açıklar. Basınç potansiyeli, su üzerinde uygulanan fiziksel basıncı temsil eder; su basınç altındayken (hücre duvarının içeri ittiği turgor bitki hücrelerinde olduğu gibi) pozitif ve su gerilim altındayken (aktif terleme sırasında ksilemde olduğu gibi) negatiftir. Bitki hücrelerindeki turgor basıncı, su girdiğinde ve plazma zarını sert hücre duvarına doğru ittiğinde gelişir ve hücre sertliğini ve bitki yapısını koruyan basınç potansiyeli oluşturur. Matrik potansiyel, doymamış topraklarda önemli hale gelir ve suyu toprak parçacıklarına bağlayan yapışkan ve kohezif kuvvetlerin neden olduğu su potansiyelindeki azalmayı tanımlar; her zaman negatiftir ve topraklar kurudukça giderek daha fazla negatif olur. Yerçekimi potansiyeli, yükseklik farklarını hesaba katar; su yoğunluğu, yerçekimi ivmesi ve yüksekliğin çarpımı olarak hesaplanır ve metre yükseklik başına 0.01 MPa ekler. Tam su potansiyeli denklemi bu bileşenleri toplar: Ψ_toplam = Ψ_osmotik + Ψ_basınç + Ψ_matrik + Ψ_yerçekimi, ancak birçok durumda belirli bileşenler baskınken diğerleri önemsiz katkıda bulunur ve göz ardı edilebilir.
Su potansiyeli hesaplamalarının pratik uygulamaları sulama yönetimine, bitki stresi değerlendirmesine ve ürün üretim kararlarına bilgi sağlar. Toprak su potansiyeli her ürün türüne özgü kritik eşiklerin altına düştüğünde, bitkiler görünür solmadan önce bile büyümeyi ve verimi azaltan su stresi yaşar. Çoğu tarımsal ürün, toprak su potansiyeli -0.1 ila -0.3 MPa'ya ulaştığında fizyolojik stres göstermeye başlar; büyüme oranları azalır ve stomatalar suyu korumak için kapanmaya başlar. Kalıcı solma noktası olarak tanımlanan -1.5 MPa'da, çoğu bitki artık topraktan su çekemez ve sulama olmadan geri dönüşü olmayan hasar meydana gelir. Tansiyometreler veya diğer sensörlerle toprak su potansiyelini izlemek, basit toprak nem yüzdesinden daha doğru sulama programlaması sağlar çünkü sadece su içeriğinden ziyade bitkilere su kullanılabilirliğini doğrudan ölçer. Aktif büyüme ve terleme sırasında, yaprak su potansiyeli tipik olarak türlere, günün saatine ve su kullanılabilirliğine bağlı olarak -0.5 ila -2.0 MPa arasında değişir; şafak öncesi ölçümler terleme minimum olduğunda toprak su potansiyeline yaklaşır. Solmuş bir bitki son derece negatif yaprak su potansiyeli sergiler, belki -3.0 MPa veya daha düşük, çünkü atmosfere sürekli su kaybı, kökler topraktan yedek su emebileceklerinden daha hızlı hücre su içeriğini tüketmiştir. Solmuş bir bitkiyi sulamak toprak su potansiyelini hızla artırır, köklere su akışını, vasküler sistem aracılığıyla ve artan turgor basıncının sertliği ve normal görünümü geri kazandırdığı yaprak hücrelerine yönlendiren gradienti yeniden kurar. Bu dinamikleri anlamak, yetiştirme sezonu boyunca ideal bitki su durumunu korumak için sulama zamanlamasını ve hacmini optimize etmeye yardımcı olur.
Ekim, gübreleme, sulama, hasat tahminleri ve bahçıvanlık için hesaplayıcılar
Explore CategorySu potansiyeli ve su içeriği, toprak-bitki-su sisteminin temelde farklı yönlerini temsil eder, ancak ilişkilidir. Su içeriği, toprak hacminin yüzdesi, gravimetrik temel veya hacimsel temel olarak ifade edilen mevcut su miktarını ölçerken, su potansiyeli o suyun enerji durumunu veya bitkilere kullanılabilirliğini ölçer. Bir toprak, önemli su içeriği içerebilir ancak bu su toprak parçacıklarına sıkı bağlıysa veya yüksek çözünen konsantrasyonları içeriyorsa çok negatif su potansiyeline sahip olabilir ve bitki alımı için kullanılamaz hale gelir. Tersine, kumlu topraklar nispeten düşük su içeriğine sahip olabilir ancak mevcut su sıkı bağlı olmak yerine kullanılabilir kaldığı için nispeten yüksek (daha az negatif) su potansiyeline sahip olabilir. Bu ayrım, su potansiyelinin neden tek başına su içeriğine kıyasla üstün sulama programlama rehberliği sağladığını açıklar—toprakta mevcut suyu bitkilerin gerçekten erişip kullanabileceğini doğrudan gösterir. Killi topraklar matrik kuvvetler aracılığıyla suyu sıkı tutar, kumlu toprakların suyun serbestçe drene olduğu aynı su potansiyelini korumak için daha yüksek su içeriği gerektirir. Aynı su içeriği yüzdelerine sahip iki toprak, doku, organik madde içeriği ve çözünen konsantrasyonlarına göre dramatik şekilde farklı su potansiyellerine sahip olabilir ve benzer nem seviyelerine rağmen çok farklı bitki su kullanılabilirliği ile sonuçlanabilir.
Tüm toprak-bitki-atmosfer sürekliliği boyunca su hareketi, yaprak yüzeylerindeki buharlaşma talebiyle yönlendirilen, daha yüksek (daha az negatif) potansiyelden daha düşük (daha negatif) potansiyele su potansiyeli gradientleri boyunca pasif olarak meydana gelir. İyi sulanmış toprak -0.01 ila -0.03 MPa civarında su potansiyeline sahip olabilir ve bol miktarda kullanılabilir su sağlar. Kök hücreleri, aktif çözünen birikimi yoluyla -0.5 ila -1.0 MPa civarında osmotik potansiyel korur ve topraktan kök dokularına su çeken bir gradient oluşturur. Su kök korteksinden geçip ksilem damarlarına girdiğinde, terleme, suyu yukarı çeken gerilim oluşturur; ksilem su potansiyeli kökler yakınında -0.5 MPa'dan aktif terleme sırasında üst yapraklarda -2.0 MPa veya daha fazlaya kadar değişir. Kohezyon-gerilim mekanizması olarak adlandırılan bu gerilim, kök uçlarından yaprak mezofil hücrelerine uzanan sürekli su sütunlarını korur. Yaprakların içinde, su substomatal boşluklardaki hücre duvarı yüzeylerinden buharlaşır ve stomata aracılığıyla atmosfere yayılan su buharı oluşturur. Atmosfer tipik olarak son derece negatif su potansiyeline sahiptir, genellikle kuru günlerde -100 MPa veya daha düşük, tüm süreklilik boyunca su hareketi için nihai itici kuvveti oluşturur. Topraktan atmosfere yaklaşık 100 MPa'yı kapsayan bu potansiyel gradient, metabolik enerji harcaması gerektirmeden tüm yukarı doğru su hareketini güçlendirir, ancak bitkinin osmotik gradientleri ve yapısal bütünlüğü korumada enerji yatırımı yapması gerekir. Hava kabarcıkları oluşturan ksilem kavitasyonu veya bitki erişilebilir seviyelerin altında kuruma gibi bu süreklilik için herhangi bir kesinti, su akışını keser ve stres semptomlarını indükler.
Su potansiyeli değerleri neredeyse tüm biyolojik sistemlerde negatiftir çünkü sıfır olarak tanımlanan standart koşullarda saf suya göre ölçülürler. Suyun serbest enerjisini azaltan veya sistemden su çıkarmak için gereken enerjiyi artıran herhangi bir faktör su potansiyelini daha negatif yapar. Çözünen eklenmesi negatif osmotik potansiyel yaratır çünkü çözünmüş parçacıklar su molekülü hareketine müdahale eder ve kaçma eğilimlerini azaltır—çözünen konsantrasyonu ne kadar yüksekse, osmotik potansiyel o kadar negatif olur. Bitki hücreleri, osmoz yoluyla içeri su çeken -0.5 ila -2.0 MPa arasında değişen osmotik potansiyeller oluşturan şekerleri, mineralleri ve organik asitleri aktif olarak biriktirir. Topraktaki ve hücre duvarlarındaki matrik kuvvetler, su moleküllerini parçacıklara yapışma ve su molekülleri arasında kohezyon yoluyla bağlayarak negatif su potansiyeli yaratır; bu etki yüzeyler kurudukça ve kalan su daha sıkı tutuldukça yoğunlaşır. Terleme sırasında ksilem damarlarındaki gerilim veya negatif basınç, negatif basınç potansiyeli yaratır, bazen zirve su talebi sırasında -2.0 MPa veya daha düşük seviyeye ulaşır ve suyu yerçekimine karşı fiziksel olarak yukarı çeker. Yalnızca basınç potansiyeli pozitif olabilir; esnek olmayan hücre duvarının protoplasta karşı geri ittiği turgor hücrelerde meydana gelir ve hücre içindeki negatif osmotik potansiyele karşı çıkan turgor basıncı yaratır. Tamamen turgor hücrelerde, pozitif basınç potansiyeli +1.0 MPa'ya ulaşabilir, basınç potansiyelinin sıfır olduğu gevşek hücrelere göre daha az negatif toplam su potansiyeli ile sonuçlanan hücre içindeki negatif osmotik potansiyeli kısmen dengeleyebilir.
Toprak dokusu, matrik kuvvetler ve gözenek boyutu dağılımı üzerindeki etkileri yoluyla su içeriği ile su potansiyeli arasındaki ilişkiyi derinden etkiler. Küçük parçacıkları ve birim kütle başına büyük yüzey alanı olan killi topraklar, matrik kuvvetler yoluyla suyu sıkıca bağlar ve bitki alımı için yeterince yüksek (daha az negatif) su potansiyelini korumak için yüksek su içeriği (belki hacimce %30-40) gerektirir. Bu topraklar, nem görünse bile bitki erişilebilir seviyelerinin ötesinde gerilimde su tutar ve matrik potansiyel son derece negatif olduğu için su içeriğinin çoğu kullanılamaz. Kumlu topraklar, tersine, büyük parçacıklara ve nispeten az yüzey alanına sahiptir ve matrik kuvvetleri minimal olarak suyu gevşek tutar. Bu topraklar, yaklaşık %10-15 su içeriğinde tarla kapasitesine ulaşır ve kurudukça su potansiyeli hızla düşer ve bitkileri strese sokan seviyelere hızla ulaşır. Ancak, mevcut olan su, matrik kuvvetler zayıf olduğu için nispeten kullanılabilir kalır. Tınlı topraklar ideal orta yolu temsil eder; yeterli su tutma kapasitesini korumak için yeterli küçük parçacıkları iyi havalandırma ve geniş bir nem aralığında su kullanılabilirliğini korumak için yeterli büyük gözeneklerle birleştirir. Organik madde, tarla kapasitesi ile kalıcı solma noktası arasındaki aralığı genişleterek toplam su tutma kapasitesini artırırken kullanılabilirliği koruyarak tüm toprak dokularında su potansiyeli özelliklerini dramatik şekilde iyileştirir. Herhangi bir dokudaki sıkışmış topraklar, yok edilmiş gözenek yapısı matrik kuvvetleri artırdığı ve toplam su içeriği yeterli görünse bile kullanılabilir su kapasitesini azalttığı için bozulmuş su potansiyeli ilişkileri gösterir. Bu ilişkileri anlamak, yetiştirme uzmanlarının toprak nem sensörü okumalarını yorumlamalarına ve belirli toprak koşulları için sulama programlarını uygun şekilde ayarlamalarına yardımcı olur.
Bitki stresi için su potansiyeli eşikleri türlere, büyüme aşamasına ve çevresel koşullara göre değişir, ancak genel modeller sulama ve stres değerlendirme kararlarına rehberlik etmeye yardımcı olur. Çoğu tarımsal ürün, toprak su potansiyeli -0.05 ila -0.1 MPa'nın üzerinde kaldığında optimal büyüme gösterir; su alımı veya terleme üzerinde hiçbir sınırlama olmadan iyi sulanmış olarak kabul edilen aralık. Toprak kurudukça ve su potansiyeli -0.1 ila -0.5 MPa'ya düştükçe, hassas ürünler hafif stres yaşamaya başlar; büyüme hızında, yaprak genişlemesinde ve stomatal iletkenlikte hafif azalmalar olur, ancak görünür semptomlar görünmeyebilir. Bu aralık, optimal büyümeyi koruma ekonomik olarak önemli olan yüksek değerli bahçecilik ürünleri için sulama kararlarını tetikler. -0.5 ile -1.5 MPa arasında, önemli büyüme azalmaları, kısmi stomatal kapanma, azaltılmış fotosentez ve zirve sıcaklığı sırasında olası görünür solma ile orta ila şiddetli stres gelişir. Birçok tarla ürünü, stres devam ederse verimler zarar görse de kalıcı hasar olmadan bu aralıkta kısa süreler tolere edebilir. Kalıcı solma noktası olan -1.5 MPa'da, bitkiler artık topraktan su çekemez ve terleme durduğunda bile gece hücre turgoru korunamaz. -1.5 MPa'nın altındaki potansiyellere uzun süreli maruz kalma, çoğu türde geri dönüşü olmayan hasara veya ölüme neden olur. Yaprak su potansiyeli ölçümleri daha acil stres göstergeleri sağlar: şafak öncesi değerler -0.5 MPa'nın üzerinde iyi su durumunu önerir, -0.5 ila -1.5 MPa sulama gerektiren gelişen stresi gösterir ve -1.5 MPa'nın altı acil eylem gerektiren şiddetli stresi işaret eder. Öğle yaprak su potansiyeli, terleme nedeniyle şafak öncesi değerlerinden doğal olarak daha düşük düşer; iyi sulanmış bitkiler tipik olarak -0.8 ila -1.5 MPa arasında değişir ve stresli bitkiler zirve talep dönemlerinde -2.0 MPa'nın altına düşer.