Vannpotensial i jord

Vannpotensialet i jord bestemmer i hvilken vei vann vil bevege seg, hvor hardt det er bundet jorda og påvirker vannopptaket i planter. 

Vannet i jorda holdes fast ved kapillarkrefter. Matrikspotensialet i jord med mange små porer kan bli svært stort. Noe av vannet i jorda er fritt hydrostatisk vann og noe er bundet. Fra grunnvannet kan vann stige kapillart opp i grunnvannsspeilet og i leirjord kan det stige betydelig. Et kraftig regnfall på uttørret jord kan lage en vannmettet overflate som ikke klare å slippe ut luft og nedbøren renner da bort som overflatevann.  De fleste landplantene får vann mer eller mindre lett fra jordas tilgjengelige vannreservoir. Vann kommer lettest inn i røttene gjennom rothårssonen i spissen av unge røtter, hvor det er nær kontakt mellom overflaten av røttene og jorda via rothår fra epidermis. Siderøtter gir brudd i rotbarken (cortex) og sørger for vannopptak inn i eldre deler av hovedrota. Vann beveger seg i jord ved massestrøm med en trykkgradient som drivkraft.  Gravitasjonskreftene gjør at flytende vann beveger seg nedover og den potensielle energien avhenger av høyden. 

Hydraulisk konduktivitet sier noe om hvor lett vannet beveger seg i jorda. Sandjord med store rom mellom jordpartiklene har stor hydraulisk konduktivitet og leirjord har liten hydraulisk konduktivitet. Når vanninnholdet og vannpotensialet i jorda minsker så synker hydraulisk konduktivitet fordi vann erstattes med luft. Luft gir færre kanaler mellom jordpartiklene og vannbevegelsen blir begrenset til periferien av kanalene.

    Vann i jord inneholder noen oppløste salter som gir osmotisk potensial ca. - 0.02  MPa, men i saltholdig jord kan Ψπ bli -0.2 MPa, eller lavere. Sjøvann ved 20oC har osmotisk potensial -2.8 MPa. Vannpotensialet  Ψ  i jorda avhenger av vanninnholdet. Vi kan ofte betrakte vannet i jorda som rent vann. Hvis jorda er vannmettet blir trykkpotensialet ΨP lik 0. Vann har høy overflatespenning slik at når jorda blir tørrere blir overflaten mellom luft og vann forsøkt holdt så liten som mulig.  Mange overflater i de små porene kan gi hydrostatiske trykk på -2 MPa og lavere:

\(\Psi_ P=\frac{-2 \sigma}{r}\)

Adhesjon og overflatespenning (σ)  gir til sammen en tensjon, hvor r er radius i poren.

     Feltkapasitet i jorda er vanninnholdet etter metning, og overskudd av gravitasjonsvann har rent vekk. Ved feltkapasitet er jorda mettet med vann og er i størrelsesorden Ψ ca. = - 0.01 til -0.03 MPa for jord med lavt saltinnhold). Permanent visningspunkt defineres når vannpotensialet er  Ψ = - 1.5 MPa. Tilgjengelig vann finnes mellom feltkapasitet og permanent visningspunkt.  Røtter har vanligvis et vannpotensial -0.2 - -1 MPa. Når jorda tørker ut og får lavere vannpotensial, tilpasser plantecellene seg til dette ved å akkumulere osmotisk aktive stoffer som f.eks. prolin, glycin, betain og sorbitol. Det skjer ingen akkumulering av ioner. Gras kan akkumulere fruktaner. Kaktus kan lage nye regnrøtter like etter nedbør. Noen planter har dobbelt sett rotsystemer med fine røtter i jordoverflaten om våren og dype røtter i sprekker i fjell om sommeren.

Vannstranport i porøse media som f.eks. jord beskrives av vannfluks J (m3 m-2 s-1MPa-1)  gitt ved Darcys lov som sier at vannbevegelsen i jorda drives av en gradient i hydrostatisk trykk:

\(J=L\frac{\partial P}{\partial x}\)

L - jordhydraulisk konduktivitetskoeffisient m2⋅s-1 Pa-1, vanligvis fra 10-14 - 10-12.)

ΔP- forskjell i trykkpotensial (Pa)

x- lengde/avstand (m)

Darcys lov kan brukes til å bestemme hydraulisk konduktivitet i ethvert system med porer som f.eks. jord og cellevegger.   Stor hydraulisk konduktivitet gir stor vannstrøm.

Resistansen for væskestrøm i et rør er inverst proporsjonalt med fjerdepotens til radius i røret eller hydraulisk konduktanse er proporsjonalt med fjerdepotens av rørdiameter:

\(Volumstrøm \; i\; rør=\frac{\pi r^4\partial P}{8\eta\partial x}\)

Diameter

μm

xylem

Hydraulisk konduktanse

m-2 s-1 MPa-1

5 - 70

bartrær, sklerofyll

2 - 10

5- 150

spredtporet ved

5 - 50

5-150

ringporet ved

50 - 300

200-300

lianer

300 - 500

Hydraulisk konduktanse i noen typer vedvev (xylem)

Hagen-Poiseuilles lov kan brukes til å beregne massestrøm i rør. Strøm av vann i xylem drevet av en trykkgradient (ΔP) kan beskrives av Hagen-Poiseuilles lov.

Hydraulisk strøm i sylindriske rør avhenger av radius r til røret og viskositeten til mediet:

\(J_v=\left(\frac{r^2}{8\eta l}\right)\Delta P\)

vor η er dynamisk viskositet Pa s =1⋅10-3 for vann ved 20 oC

Denne gjelder bare for laminær strøm med Reynolds tall <2000. Vi vil få største strøm i midten av røret og hastighetsprofilen har en parabolsk form. Maksimal hastighet er ca. 2 ganger gjennomsnittshastigheten i røret.

Hastigheten i et vedrør med radius 100 mikrometer (μm) og trykkgradient -0.1 MPa m-1 blir:

\(\frac{\left(100\cdot10^{-6}\right)^2\cdot 10^5}{8\cdot 10^{-3}\cdot 1}=125\; mm\; s^{-1}\)

Trykkgradienten er i størrelsesorden 0.02 MPa m-1 for xylemtransporten i trær og busker. Hvis en væske strømmer i et rør hvor tverrsnittsarealet varierer så vil hastigheten variere (Bernoulli-prinsippet)

\(P + \frac{1}{2}\rho \nu^2=konstant\)

hvor v -hastighet, ρ - tetthet. Ifølge Bernoullis lov vil trykket minske når hastigheten på lufta øker. Kan demonstreres med et Venturi-rør som har et område med innsnevring. Høyere hastighet gir lavere trykk.  Dette er prinsippet bak flyvingen hvor lufta over vingen må gå en lenger vei og derved fortere enn på undersiden. Derved blir det lavere trykk på oversiden og vingen løftes opp.

Teksten er hentet fra Økologi

Tilbake til hovedside

Publisert 15. feb. 2019 12:20 - Sist endret 27. mars 2019 11:02