Wasserpotential

Das Wasserpotential charakterisiert den Wasserzustand eines Systems. Eine Differenz im Wasserpotential von aneinandergrenzenden Systemen erklärt den Wassertransport von einem System in das Nachbarsystem (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, etwa einer Zelle, in das Referenzsystem, 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]

Achtung: da Wasserpotentiale immer Werte <= 0 annehmen, d.h. negativ sind, hat das höhere Potential (im Sinne der größeren Zahl inkl. Vorzeichen) den kleineren Betrag, und umgekehrt. Konkretes Beispiel: das Wasser wird fließen von einer Stelle mit einem Wasserpotential von 0 MPa (völlig gesättigt) zu einer anderen Stelle mit einem Wasserpotential von -0,5 MPa.

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 (s.u.).

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

• Das Matrixpotential $ \psi _{m} $ (auch: Kapillarpotential) umfasst alle Kräfte, mit denen Wasser von der Bodenmatrix, d. h. der Gesamtheit der Bodenpartikel, 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 negativem Vorzeichen angegeben. Lässt man das Vorzeichen weg, entspricht das Matrixpotential 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.
• Das 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 geht vom chemischen Potential $ \mu $ des Wassers aus:

$ \psi ={\frac {\mu -\mu _{0}}{\overline {V}}} $.

Hierbei ist

• $ \mu -\mu _{0} $ die Abweichung des chemischen Potentials vom Standardzustand
• $ {\overline {V}} $ das partielle Molvolumen.

Eine andere Schreibweise hierfür ist:

$ \psi =p-\pi +\rho _{H2O}\cdot g\cdot \Delta h $

mit

• p: hydrostatischer Druck bzw. Druckpotential
• $ \pi $: osmotischer Wert
• $ \rho _{H2O}\cdot g\cdot \Delta h $: Gravitationspotential; nur bei Wassertransport über größere Höhe $ \Delta h $ von Bedeutung
  • $ \rho _{H2O} $: Dichte von Wasser
  • $ g $: Erdbeschleunigung.

Größeneinheiten

Das Wasserpotential kann angegeben werden als

• Energie bzw. Arbeit, bezogen auf eine Volumeneinheit, es ergibt sich ein Druck, Angabe in Pascal oder MPa
• Energie bzw. Arbeit, bezogen auf das Gewicht des Wassers im Schwerefeld der Erde, es ergibt sich eine Höhe (cm Wassersäule)^[2]
• Energie bzw. Arbeit, bezogen auf die Masse des Wassers, Angabe in Joule/g.

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 (niedriger Betrag des Wasserpotentials) sind viele der Poren des Blocks mit Wasser gefüllt und leiten den Strom besser.
• bei niedrigem Wassergehalt des Bodens (hoher Betrag des Wasserpotentials, d.h. jedoch stärker negative Zahl) sind wenige der Poren des Blocks mit Wasser gefüllt und leiten den Strom schlechter.

Mit Hilfe eines Tensiometers kann das Matrixpotential bestimmt werden. Dieses entspricht in salzarmen Böden im Wesentlichen dem Wasserpotential, da hier das Osmotische Potential vernachlässigbar ist.^[2]

Siehe auch

• Hydraulisches Potential

Einzelnachweise

Literatur

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