حاسبة الإمكانية المائية - أداة مجانية للمحلول والضغط

ما الجهد المائي؟

تحسب حاسبة الجهد المائي الجهدَ المائيَّ الكليَّ (Ψw) لخلية نباتية أو محلول، وذلك بجمع جهد المذاب (Ψs) وجهد الضغط (Ψp). يقيس الجهد المائي ميل الماء إلى الانتقال من مكان إلى آخر. ويُعبَّر عنه بالميغاباسكال (MPa)، وهي وحدة للضغط.

ينتقل الماء دائمًا من منطقة ذات جهد مائي أعلى إلى منطقة ذات جهد مائي أقل. وتفسر هذه القاعدة وحدها كيف يدخل الماء إلى جذور النبات، ويصعد عبر السيقان، ويخرج عبر الأوراق.

صيغة الجهد المائي

الصيغة التي تستخدمها الحاسبة هي:

Ψw = Ψs + Ψp

• Ψw — الجهد المائي، بوحدة MPa
• Ψs — جهد المذاب، ويُسمى أيضًا الجهد الأسموزي، بوحدة MPa
• Ψp — جهد الضغط، بوحدة MPa

للماء النقي عند الضغط الجوي جهد مائي مقداره 0 MPa. وتمثل هذه القيمة نقطة المرجع. وتدفع المواد المذابة والضغط الفيزيائي القيمة إلى الارتفاع أو الانخفاض مقارنةً بها.

مكونات الجهد المائي

جهد المذاب (Ψs)

يقيس جهد المذاب تأثير الجسيمات المذابة، مثل السكريات أو الأملاح، في طاقة الماء. تجذب الجسيمات المذابة جزيئات الماء وتحتجزها، مما يخفض الطاقة الحرة للماء. ولذلك يكون جهد المذاب دائمًا صفرًا أو سالبًا. ويكون للمحلول المخفف قيمة قريبة من 0 MPa. أما المحلول المركز، مثل مياه البحر، فقد يصل إلى نحو -2.5 MPa.

جهد الضغط (Ψp)

يقيس جهد الضغط الضغطَ الفيزيائي الواقع على الماء. داخل خلية نباتية سليمة ومرطبة، تدفع محتويات الخلية إلى الخارج على جدار الخلية. ويُسمى ذلك ضغط التورّج، وينتج عنه جهد ضغط موجب، يتراوح عادةً بين +0.3 و+0.8 MPa. وفي الأنابيب الناقلة للماء في النبات (الخشب)، غالبًا ما يُسحب الماء بدلًا من دفعه، مما ينتج جهد ضغط سالبًا، قد يقل أحيانًا عن -2.0 MPa.

كيفية حساب الجهد المائي

1. قِس جهد المذاب في العينة، أو احصل على قيمته، بوحدة MPa. وتكون هذه القيمة عادةً سالبة أو صفرًا.
2. قِس جهد الضغط في العينة، أو احصل على قيمته، بوحدة MPa. وقد تكون هذه القيمة موجبة أو سالبة أو صفرًا.
3. اجمع العددين. والمجموع هو الجهد المائي، Ψw.

تجري الحاسبة عملية الجمع هذه تلقائيًا بعد إدخال القيمتين.

مثال محلول

لعينة ورقة نباتية جهد مذاب مقداره -0.7 MPa وجهد ضغط مقداره +0.4 MPa.

Ψw = Ψs + Ψp Ψw = -0.7 + 0.4 Ψw = -0.3 MPa

جهد الماء في الورقة هو -0.3 MPa. وإذا وُضعت في ماء نقي (0 MPa)، فستكتسب خلايا الورقة الماء، لأن الماء ينتقل نحو الجهد الأعلى. أما إذا وُضعت ملاصقةً لماء التربة عند -0.5 MPa، فستفقد خلايا الورقة الماء بدلًا من ذلك، لأن -0.5 MPa أقل من -0.3 MPa.

مثال ثانٍ: لخلية جهد مذاب Ψs = -1.8 MPa وجهد ضغط Ψp = +0.5 MPa.

Ψw = -1.8 + 0.5 = -1.3 MPa

قراءة النتيجة

يعني الجهد المائي الأكثر سلبية أن الماء واقع تحت إجهاد أكبر، وأن له قوة سحب أقوى للماء المحيط. أما القيمة الأقل سلبية أو الموجبة فتعني أن الماء متاح بحرية أكبر. وعندما يكون Ψs وΨp متساويين ومتعاكسين، مثل -0.5 MPa و+0.5 MPa، يكون المجموع 0 MPa. وفي الخلية النباتية، تُعرف هذه النقطة باسم التبلزم الابتدائي: إذ تكون الخلية قد فقدت ضغط امتلائها للتو، لكنها لم تبتعد بعد عن جدارها.

وحدات الجهد المائي

الميغاباسكال (MPa) هو الوحدة القياسية في علم وظائف الأعضاء النباتية الحديث. وتظهر وحدتان أخريان في المراجع الأقدم أو ذات الصلة:

• البار: 1 bar = 0.1 MPa
• الكيلوباسكال (kPa)، الشائع في علم التربة: 1 MPa = 1,000 kPa

أهمية الجهد المائي

يفسر الجهد المائي عدة عمليات نباتية يومية. تمتص الجذور الماء عندما يكون جهد الماء في الجذر أقل من جهد الماء في التربة المحيطة. وتذبل الأوراق عندما لا تستطيع الحفاظ على جهد مائي منخفض بما يكفي لإبقاء خلاياها متماسكة. ويستخدم الباحثون الجهد المائي لمقارنة مدى تحمل أصناف المحاصيل المختلفة للجفاف، كما يستخدمه مديرو الري لتحديد موعد حاجة الحقل إلى الماء. ويشير جهد ماء الورقة قبل الفجر، الذي يتراوح تقريبًا بين -0.2 و-0.5 MPa، عادةً إلى أن النبات جيد الري؛ أما قراءة منتصف النهار التي تتراوح بين -0.8 و-1.5 MPa أو أقل، فقد تشير إلى إجهاد الجفاف، بحسب النوع.

لأن الصيغة تجمع جهد المذاب وجهد الضغط فقط، فهي تغطي المكونات الأكثر صلة بالخلايا النباتية والمحاليل البسيطة. ويتضمن جهد ماء التربة أيضًا الجهد المصفوفي، الذي يصف الماء المرتبط بجسيمات التربة، وقد استُبعد من هذا الحساب المبسط ذي الحدين.

الأسئلة الشائعة

ما الجهد المائي بعبارات بسيطة؟ هو مقياس لمدى ميل الماء في نظام ما إلى الحركة. يتدفق الماء من الجهد المائي المرتفع إلى الجهد المائي المنخفض، على نحو يشبه تدفق الحرارة من الساخن إلى البارد.

ما صيغة الجهد المائي؟ Ψw = Ψs + Ψp، حيث Ψw هو الجهد المائي، وΨs هو جهد المذاب، وΨp هو جهد الضغط. وتُقاس القيم الثلاث جميعًا بالميغاباسكال.

لماذا يكون جهد المذاب سالبًا عادةً؟ ترتبط الجسيمات المذابة بجزيئات الماء وتقلل كمية الماء الحر المتاح للحركة، مما يخفض طاقة الماء. وتُعد القيم الصفرية أو السالبة شائعة؛ ولا يكون جهد المذاب موجبًا أبدًا.

هل يمكن أن يكون الجهد المائي موجبًا؟ نعم، عندما يكون جهد الضغط موجبًا وأكبر من جهد المذاب السالب. ويحدث ذلك أثناء ضغط الجذر، الذي يدفع الماء إلى خارج حواف الأوراق ليلًا، وفي بعض الخلايا النباتية المتخصصة.

ما الفرق بين الجهد المائي ومحتوى الماء؟ محتوى الماء هو كمية الماء الموجودة. أما الجهد المائي فهو مدى توافر ذلك الماء للحركة. وقد تحتوي تربتان على الكمية نفسها من الماء، ومع ذلك يكون جهدا الماء فيهما مختلفين جدًا، لأن قوام التربة يؤثر في مدى إحكام احتجاز الماء.

هل تأخذ هذه الحاسبة في الحسبان الجهد المصفوفي للتربة؟ لا. فهي تجمع جهد المذاب وجهد الضغط فقط، وهو ما يكون دقيقًا للخلايا النباتية والمحاليل البسيطة. ويعتمد جهد ماء التربة في التربة غير المشبعة أيضًا على الجهد المصفوفي، الذي يتطلب قياسًا منفصلًا.