بخشی از مقاله
روابط آب و خاک و گياه
يک گياه علفى سريعالرشد عمدتاً از آب تشکيل شده است. محتوى آب گياه بين ۷۰ تا ۹۰% مىباشد که بسته به سن گياه، گونه گياه، بافت موردنظر و محيط، متفاوت است. آب براى بسيارى از فعاليتهاى گياهى لازم است:
۱. حلال بوده و محيطى مناسب براى واکنشهاى شيميائى فراهم مىنمايد.
۲. محيطى مناسب براى انتقال مواد آلى و معدنى مىباشد.
۳. موجب تورم سلولهاى گياهى مىشود. آماس باعث بزرگ شدن سلول، ساختار گياه و شکلگيرى آن مىگردد.
۴. باعث آبگيرى (Hydration)، خنثىسازى (Neutralization)، بار الکتريکى روى مولکولهاى کلوئيدى مىشود. در مورد آنزيمها، آبگيرى موجب حفظ ساختمان آنزيم و تسهيل فعاليتهاى کاتاليزورى آن مىگردد.
۵. ماده خام فتوسنتزى فرآيندهاى هيدرولتيکى و ساير واکنشهاى گياهى را تشکيل دهد.
۶. تبخير آب تعرق موجب خنک شدن گياه مىگردد.
در شرايط مزرعه، ريشهها در خاک نسبتاً مرطوب نفوذ مىکنند، درحالىکه ساقه و برگها در محيط نسبتاً خشک رشد مىنمايند. اين امر موجب جريان مستمر آب از طريق خاک به داخل گياه و به اتمسفر مىگردد که در جهت کاهش انرژى پتانسيل صورت مىگيرد. مقدار آبى که روزانه از اين طريق جريان مىيابد حدود ۱ تا ۱۰ برابر مقدارى است که بافت گياهى در خود نگه داشته و ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مقدار آبى است که براى توسعهٔ سلولهاى جديد مصرف مىشود و ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر مقدار آبى است که در فتوسنتز به مصرف مىرسد. بنابراين در اولين مرحله، آب از طريق خاک به برگ حرکت مىکند تا مقدار آبى که از طريق تعرق از دست رفته را جبران نمايد.
بهخاطر تقاضاى شديد و همچنين بهعلت اهميت آب، گياه به يک منبع آبمستمر براى رشد و نمو خود نياز دارد، هر وقت که آب محدود مىگردد رشد نيز کاهش مىيابد و معمولاً عملکرد هم کاهش مىيابد. مقدار کاهش عملکرد متأثر از ژنوتيپ، شدت کمبود آب و مرحلهٔ نمو گياه مىباشد.
پتانسيل آب
سیستمی که ماهیت آب و حرکت آن را در خاک و گیاه بیان میکند بر مبناء روابط انرژی پتانسیل استوار است. وقتی که آب از یک منطقه دارای انرژی پتانسیل زیاد به یک منطقه دارای انرژی پتانسیل کم حرکت میکند ، این آب دارای توان انجام کار است. انرژی پتانسیل یک سیستم آبکی (Aqueos) ، در مقایسه با انرژی پتانسیل آب خالص قیاس میشود. چون آب در گیاه و در خاک معمولاً بهعلت دارا بودن مواد محلول (Solutes) ، از نظر شیمیائی خالص نیست و از نظر فیزیکی بهعلت کششهای قطبی ، نیروی ثقل ، و فشار ، انرژی پتانسیل آن کمتر از آب خالص میباشد انرژی پتانسیل آب در گیاه و خاک را پتانسیل آب مینامند که با حروف یونانی سای (ψw) نشان داده میشود و بهصورت نیرو بر واحد سطح بیان میشود. واحد اندازهگیری آن معمولاً بار یا پاسکال (Pa) ، میباشد. یکبار مساوی ۱۰ به توان ۵ پاسکال یا ۱۰ به توان ۶ دین بر سانتیمتر مربع یا ۹۹/۰ اتمسفر و یا ۱۰ به توان ۲ ژول بر کیلوگرم میباشد. آب خالص دارای پتانسیل آب صفر بار میباشد. پتانسیل آب در خاک و گیاه معمولاً کمتر از صفر بار میباشد. یعنی مقدار آن منفی است. هر چقدر این مقدار بیشتر منفی باشد پتانسیل آن کمتر است:
پتانسيل آب گياه و خاک حاصل جمع چند پتانسيل به شرح زير مىباشد:
ψw = ψm + ψs + ψp + ψz
=ψm پتانسيل ماتريک (Matrix potential)، نيروئى که توسط آن، آب به گياه يا سطح ذرات خاک چسبيده است بهوسيله نيروى جذب سطحى Adsorption، يا شعريهاى Capillarity)، اين جاذبهها فقط از طريق اعمال نيروى ديگرى مىتوان خنثى کرد. بنابراين مقدار آن همواره منفى است.
=ψs پتانسيل مواد محلول پتانسيل اسمزي. انرژى پتانسيل آب است که تحت تأثير غلظت مواد حل شده قرار مىگيرد. مواد حل شده انرژى پتانسيل آب را کاهش مىدهند و در نتيجه محلول داراى پتانسيل منفى مىگردد.
=ψp پتانسيل فشارى فشار آماس Turgor pressurer نيروئى که توسط فشار هيدرواستاتيکى حاصل مىشود. از آنجائى که اين نيرو توسط آب به گياه وارد مىشود بنابراين داراى مقدار مثبت مىباشد. معمولاً اين پتانسيل در خاک اهميت کمى دارد ولى در سلولهاى گياهى داراى اهميت زيادى است.
=ψz پتانسيل ثقلى که هميشه در گياهان وجود داشته ليکن در مقايسه با ۳ پتانسيل ديگر در گياهان کوتاه قامت، داراى اهميت ناچيزى است. در درختان بلند پتانسيل ثقلى داراى اهميت است.
آب قابل استفادهٔ خاک
ريشه گياهان در خاک مرطوب رشد مىنمايند و آب را تا زمانىکه پتانسيل آب خاک به يک حد بحرانى برسد از خاک مىگيرند. آبى که از خاک مىتواند از طريق ريشه گياهان خارج گردد بهنام آب قابل استفاده يا آب در دسترس ناميده شده است که عبارت است از تفاوت محتوى آب ظرفيت مزرعه آبى که علىرغم نيروى ثقل در خاک نگهدارى مىشود و درصد پژمردگى دائمى درصد رطوبت خاک که در آن گياه پژمرده مىشود و در اتمسفر داراى ۱۰۰% رطوبت نسبى هم شاداب نمىگردد.
رطوبت قابل استفاده خاک متأثر از خواص کلوئيدى خاک مثل سطح ويژه ذارت خاک مىباشد. يک خاک رسى لومى حدود %۲۰ وزن خود آب قابل استفاده دارد. درحالىکه يک خاک داراى بافت سبکتر مانند يک خاک شنى ريز حدود ۷% وزن خود آب قابل استفاده دارد. براساس واحد حجمي، در ظرفيت مزرعه خاک داراى بافت رسى لومى حدود ۱۷ سانتىمتر آب قابل استفاده در هر متر عمق خاک داشته در حالىکه يک خاک داراى بافت شنى ريز کمتر از ۸ سانتىمتر آب در هر متر عمق خاک نگهدارى مىنمايد. در ظرفيت مزرعه خاک داراى بافت ريز حدود ۲۵ سانتىمتر آب را براى گياهى که ريشه آن در عمق ۱/۵ مترى نفوذ نموده است تأمين مىنمايد.
پتانسيل آب خاک (ψsiol) در خاکهاى زراعي، در درجه اول تحت تأثير پتانسيل ماتريک و در درجهٔ دوم، تحت تأثير پتانسيل اسمزى قرار مىگيرد. پتانسيل آب خاک را مىتوان با ظرفيت مزرعه و درصد پژمردگى دائمى مرتبط دانست. در ظرفيت مزرعه پتانسيل آب خاک حدود ۱/۰-تا ۳/۰- بار مىباشد. درصد پژمردگى دائمى در گونههاى گياهان زراعى متفاوت است ۱۵- تا ۵۰- بار ولى غالباً بهطور انتخابى آن را حدود ۱۵ بار فرض مىکنند. پتانسيل آب در نقطه پژمردگى دائمى داراى اهميت ناچيزى است چون بيش از ۷۰% آب قابل استفاده در پتانسيل ۵- بار از خاک خارج شده است. همچنين مقدار آب قابل استفاده در بين۱۵- تا ۳۰- بار بسيار ناچيز است.
درصد رطوبت قابل استفاده برای گیاه در خاک لومی در پتانسیل‌های متفاوت آب خاک. در این خاک ۵۰ ، ۷۵ و ۹۰ درصد آب قابل استفاده به‌ترتیب در پتانسیل‌های ۳- ، ۵- و ۱۰- بار در خاک نگهداری میشود.
جذب و حرکت آب
در مقايسه با گياهان يا خاک، هوا معمولاًً داراى پتانسيل آب بسيار کمى مىباشد. چون يک برگ زنده معمولاً داراى پتانسيل آب بيش از ۱۵- بار مىباشد، بنابراين يک اختلاف انرژى زيادى بين هوا و برگ وجود دارد که موجب استمرار حرکت آب بهصورت بخار از برگ به هوا مىگردد. وقتى اتلاف آب از گياه صورت نمىگيرد مثلاً در شب پتانسيل آب گياه يا پتانسيل آب خاک بهحالت تعادل نزديک مىشوند. اگر روزنهها باز باشند، اتلاف آب از برگها بهطور مستمر ادامه دارد و موجب مىشود که پتانسيل آب برگ نسبت به پتانسيل آب دمبرگ کاهش مىيابد. چون آب از محل پتانسيل زياد به کم حرکت مىکند لذا از دمبرگ به برگ جريان مىيابد. اين جريان آب پتانسيل آب، دمبرگ را که در حالت تعادل با پتانسيل آب ساقه مىباشد، کاهش مىدهد و لذا آب از ساقه به طرف دمبرگ جريان مىيابد. اين اختلاف انرژى تا ريشه و خاک نيز ادامه دارد. بهعبات ديگر در سيستم انتقال آب از خاک به ريشه يک اختلاف پتانسيل بهوجود مىآيد. سرعت جذب آب و حرکت آن در داخل گياه بستگى به محتوى رطوبت خاک، تماس ريشه و خاک، مقاومتهاى گياه و خاک در برابر جريان آب و اختلاف پتانسيل آب موجود دارد.
در شکل A تغييرات پتانسيل آب در سيستم خاک و گياه در يک دوره پنج روزه بدون آبيارى بهصورت يک نمودار نشان داده شده است. پس از آنکه آب به خاک اضافه مىشود و آب ثقلى از خاک خارج مىگردد پتانسيل آب خاک تقريباً ۳/۰- بار مىباشد. در شب روزنهها بسته هستند و لذا آب از خاک به داخل گياه حرکت مىکند و تعادلى بين پتانسيل آب خاک و گياه بهوجود مىآيد. در طول روز، روزنهها باز هستند و عمل تعرق صورت مىگيرد. با اتلاف آب از برگ پتانسيل آب برگ کاهش مىيابد و يک اختلاف پتانسيل آغاز مىگردد.
اين امر اختلاف انرژى لازم براى حرکت آب از خاک که بهمنظور جايگزينى آب تلف شده از برگ انجام مىشود را تأمين مىنمايد. در شب روزنهها بسته مىشوند و تعرق تا حد نزديک به صفر کاهش مىيابد. با اين وجود آب بهطور مستمر در سيستم جريان خواهد يافت تا اينکه پتانسيل آب خاک کمتر مىشود و پتانسيل برگ هم نسبتاً کاهش مىيابد و يک اختلاف پتانسيل براى دامنهٔ جذب آب بهوجود مىآيد، پتانسيل آب برگ در روز چهارم شکل تغييرات پتانسيل آب اتمسفرى نسبت به تغيير رطوبت نسبى در ۲۵ درجه سانتىگراد) تا ۱۵ بار کاهش يافته و تقريباً در همين نقطه باقى مىماند. اين امر نشاندهنده آن است که در اثر بسته شدن روزنهها تعرق کاهش يافته است.
