Wasserpotential

Das Wasserpotential charakterisiert den Wasserzustand eines Systems. Eine Differenz im Wasserpotential von Systemen, die aneinandergrenzen, erklärt den Wassertransport von einem Bereich in den Nachbarbereich (z. B.: Boden–Wurzel, Blatt–Luft).[1]

In der Botanik stellt man mit Wasserpotential die Verfügbarkeit von Wasser für Pflanzen dar. In diesem Zusammenhang ist ein Potential die Arbeit, die geleistet werden muss, um eine Einheitsmenge Wasser aus einem System in ein Referenzsystem zu transportieren. Ist das Wasserpotential zum Beispiel niedrig, ist es schwer, Wasser aus dem System, wie etwa einer Zelle, in das Referenzsystem wie zum Beispiel den Extrazellularraum abzugeben. Die Differenz im Wasserpotential ist der antreibende Gradient für Wasserbewegung, wobei das Wasser vom höheren zum niedrigeren Potential fließt.[2]

Als veraltetes und physikalisch nicht ganz korrektes, aber anschauliches Synonym kann auch der Ausdruck Saugkraft verwendet werden.[3]

Definition und Teilpotentiale

Das Wasserpotential $ \psi _{w} $ ist die Summe aus Matrixpotential $ \psi _{m} $ und Osmotischem Potential $ \psi _{o} $. Das Gaspotential $ \psi _{g} $ wird meist nicht berücksichtigt.

$ \psi _{w}=\psi _{m}+\psi _{o}(+\psi _{g})\, $

Dabei umfasst das Matrixpotential $ \psi _{m} $ (auch: Kapillarpotential) alle Kräfte, mit denen Wasser von der Bodenmatrix festgehalten wird. Das Matrixpotential ist umso größer, je feinkörniger ein Boden strukturiert ist. Wenn der Boden langsam austrocknet, steigt das Matrixpotential an, bis nur noch das nicht mobilisierbare „Totwasser“ in den feinsten Poren vorhanden ist. Das Matrixpotential wird meist als Druck mit einem negativem Vorzeichen angegeben. Lässt man das Vorzeichen weg, entspricht es der Bodenwasserspannung.

Das Osmotische Potential $ \psi _{o} $ (auch: Lösungspotential) ist definiert als die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um eine bestimmte Menge Wasser durch eine semipermeable Membran aus der Bodenlösung aufzunehmen. Es ist von der Menge an gelösten Salzen abhängig. In Trockengebieten und in den Marschen kann das Osmotische Potential besonders hoch sein.

Ein Gaspotential $ \psi _{g} $ müsste berücksichtigt werden, wenn der Luftdruck innerhalb des beobachteten Systems Boden - Pflanze nicht gleich wäre.[2]

Eine in der Biologie häufig verwendete Definition, die vom chemischen Potential des Wassers ausgeht, ist: $ \Psi ={\frac {\mu -\mu _{0}}{\overline {V}}} $. Hierbei gibt $ \mu -\mu _{0} $ die Abweichung des chemischen Potentials vom Standardzustand an. Dies wird auf das partielle Molvolumen $ {\overline {V}} $ bezogen. Eine andere Schreibweise hierfür ist: $ \Psi =p-\pi +g\cdot \Delta h\cdot \rho _{H2O} $ mit p: hydrostatischer Druck, $ \pi $: osmotischer Wert, $ g\cdot \Delta h\cdot \rho _{H2O} $: Druckpotential. Das Druckpotential ist nur bei Wassertransport über größere Höhe von Bedeutung.

Größeneinheiten

Das Wasserpotential kann als Energie bzw. Arbeit in Joule/g angegeben werden, wenn es sich auf eine bestimmte Masse Wasser bezieht. Meist wählt man eine Volumeneinheit als Bezugsgröße, wodurch das Wasserpotential als Druck in Pascal oder MPa angegeben werden kann. Anschaulich ist auch die Angabe als Länge (cm Wassersäule), wenn es auf das Gewicht des Wassers im Kraftfeld der Erde bezogen wird.[2]

Ein wassergesättigtes System, das kein weiteres Wasser mehr aufnehmen kann, hat ein Wasserpotential von 0 MPa (z. B. Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von 100 %)[4]. Je mehr Wasser ein System aufnehmen kann, desto negativer wird der Wert des Wasserpotentials.

Bestimmung

Das Wasserpotential eines Bodens kann mit Hilfe von Gipsblock-Elektroden direkt gemessen werden. Dabei wird ein Gipsblock in den Boden eingebaut und die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Blocks gemessen. Bei hohem Wassergehalt des Bodens (niedriges Wasserpotential) sind viele der Poren des Blocks mit Wasser gefüllt und leiten den Strom besser.

Mit Hilfe eines Tensiometers kann das Matrixpotential bestimmt werden. Da das Osmotische Potential in salzarmen Böden vernachlässigbar ist, entspricht das so gemessene Matrixpotential im Wesentlichen dem Wasserpotential.[2]

Siehe auch

  • Hydraulisches Potential
  • Wassergehalt

Einzelnachweise

  1. Richter, G.: Stoffwechselphysiologie der Pflanzen, Georg Thieme, Stuttgart 1976 (3), S. 284 ff, ISBN 978-3134420067
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Scheffer, F., Schachtschabel, P.: Lehrbuch der Bodenkunde. 13. durchgesehene Auflage. Enke, Stuttgart 1992, ISBN 3-432-84773-4, Kapitel XVI: Bodenwasser.
  3. Kutschera, U.: Kurzes Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, Quelle und Meyer, Wiesbaden 1995, S. 60, ISBN 3-8252-1861-9
  4. Kutschera, U.: Kurzes Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, Quelle und Meyer, Wiesbaden 1995, S. 65

Literatur

  • Hartge, KH.: Einführung in die Bodenphysik. Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-89681-6.

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