موجودیت آب در خاک(۲)

پتانسيل آب در خاک

بهتر است تعريف مفهوم پتانسيل آب در خاک را با چند مثال ساده آغاز کنيم. اکثراً مشاهده مى‌شود که در خاک‌هاى مختلف حتى اگر درصد رطوبت آنها يکسان باشد گياهان رشد يکسانى ندارند. يعنى يکسان بودن رطوبت خاک دليل بر يکسان بودن رشد نمى‌تواند باشد. اين امر مى‌رساند که در خاک‌هاى مختلف رطوبت اوليه يکسان در اختيار گياه قرار نمى‌گيرد. مثال ديگر اينکه اگر دو نوع خاک با رطوبت اوليه يکسان را به مدت مساوى در گرم‌خانه‌اى قرار دهيم و سپس رطوبت آنها را ندازه‌گيرى کنيم ملاحظه مى‌شود که مقدار رطوبت باقى‌مانده در اين دو مساوى نخواه بود. به‌عبارت ديگر خاک‌ها در مقابل نيروهايى که باعث خارج کردن رطوبت مى‌شوند يکسان عمل نمى‌کنند. حال مورد ديگرى را مثال بزنيم. چنانچه دو نوع خاک را که درصد رطوبت آنها مساوى ولى از نظر بافت مختلف باشند در مجاورت هم قرار دهيم مشاهده خواهد شد که رطوبت از خاکى که بافت درشت دارد به سمت خاکى که بافت آن ريز مى‌باشد حرکت خواهد نمود. اين پديده‌ها از روى مقدار رطوبت قابل توصيف نيستند بلکه براى توجيه آنها بايد از معيار ديگرى استفاده شود که همان پتانسيل آب در خاک است. براى تعريف بهتر پتانسيل مى‌توان موضوع را به‌ نحو ديگرى نيز توصيف نمود. مى‌دانيم که گرما يکى از خصوصيات اجسام است ولى با داشتن مقدار گرما نخواهيم دانست که آيا گرما در جسم حرکت مى‌کند يا نه، در اين صورت از نمايه ديگرى که شدت گرما را نشان دهد استفاده مى‌شود. اين نمايه دما يا درجه حرارت است.

اگر دما را در دو سر يک جسم بدانيم خواهيم فهميد که آيا گرما در جسم حرکت مى‌کند يا نه و از کدام سمت به کدام طرف؟ زيرا عامل انتقال گرما اختلاف دماست و نه اختلاف گرما. به همين صورت در خاک هم لازم است علاوه بر مقدار رطوبت از نمايه ديگرى استفاده کنيم تا در شناخت حرکت آب به ما کمک کند اين نمايه همان پتانسيل آب در خاک يا به اصطلاح شدت رطوبت مى‌باشد. مى‌دانيم بر حسب تعريف پتانسيل توانايى انجام کار است و لذا پتانسيل آب مقدار کارى است که بايد روى يک گرم آب موجود در خاک انجام گيرد تا آن را از وضعيت خود خارج و در وضعيتى مشابه يا وضعيت يک گرم آب موجود در سطح آب آزاد قرار دهد. به‌عبارت ساده‌تر پتانسيل نيروهايى است که آب در خاک با آن درگير بوده و براى اخذ آب از خاک بايد بر آن نيروها غلبه کنيم.

انواع پتانسيل ها

پتانسيل آب در خاک ناشى از چندين عامل مختلف است که ما در اين جا سه نوع آن را بررسى مى‌کنيم: پتاسنيل ثقلي، پتانسيل فشاري، پتانسيل اسمزي. در واقع آب در هر موقعيت مى‌تواند داراى هر سه جزء پتانسيلى باشد که مجموع آنها پتانسيل آب خاک را تشکيل مى‌دهد.

پتانسيل ثقلى پتانسيلى است که يک واحد وزن آب موجود در خاک به دليل موقعيت خود نسبت به يک سطح مقايسه مرجع دارا مى‌باشد. مثلاً اگر يک جرم کوچک از آب در سيستم آب - خاک به اندازه Z بالاى يک سطح مقايسه فرضى قرار گيرد خواهيم گفت که پتانسيل ثقلى اين نقطه نسبت به آن سطح Z+ مى‌باشد. زيرا اگر اين جرم آب را رها کنيم تا رسيدن به سطح مرجع‌کارى به اندازه حاصل‌ضرب وزن خود در ارتفاع Z انجام مى‌دهد که براى واحد وزن آب (يک گرم) اين مقدار از نظر عددى برابر Z خواهد بود. ممکن است سطح مقايسه در بالاى نقطه انتخاب شود در اين صورت پتانسيل ثقلى آن Z- خواهد بود. توجه داشته باشيد که سطح مقايسه از نظر موقعيت، يک سطح قراردادى است و هر سطحى را انتخاب کنيد تفاوتى نخواهد کرد. زيرا اختلاف بين دو نقطه از نظر ارتفاع مستقل از موقعيت سطح مقايسه مى‌باشد. از نظر ساده بودن محاسبات توصيه مى‌شود سطح مقايسه طورى انتخاب شود که Z حتى‌الامکان مثبت باشد.

پتانسيل فشارى يک نقطه از آب موجود در خاک ф/p بسته به اين که خاک اشباع يا غير اشباع باشد مى‌تواند مثبت يا منفى باشد. يعنى اگر فشار آب بالاتر از فشار اتمسفر باشد (مانند يک نقطه از آب در داخل يک خاک اشباع که فشار آن بيش از فشار اتمسفر است) پتانسيل فشارى مثبت و اگر فشار آب در نقطه مورد نظر کمتر از فشار اتمسفر باشد پتانسيل فشارى منفى خواهد بود. هنگامى که خاک غير اشباع باشد پتانسيل فشارى منفى باعث مى‌شود که جسم خاک و يا به‌عبارت ديگر ماتريکس خاک رطوبت را جذب نمايد. در اين حالت گفته مى‌شود تنش کاپيلارى ايجاد شده است. در بعضى نوشته‌ها پتانسيل را در اين حالت پتانسيل ماتريک مى‌گويند. بنابر اين در خاک‌هاى اشباع نقاطى که زير سطح ايستايى قرار دارند داراى پتانسيل فشارى مثبت هستند و نقاطى که هم‌تراز سطح آب هستند پتانسيل فشارى آنها صفر است نقاطى که بالاى سطح ايستايى قرار دارند پتانسيل فشارى در آنها منفى مى‌باشند.

سومين نوع پتانسيل که در سيستم آب - خاک مطرح است پتانسيل اسمزى (ф/os)است. اين پتانسيل به دليل وجود نمک در محلول خاک است . در سيستم آب - خاک هم ريشه و هم نمک آب را به سمت خود مى‌کشند.در واقع بايد قدرت جذب ريشه‌ها بر نمک فائق آمده تا بدون جذب نمک آب را از خاک خارج کند. در خاک‌هايى که مقدار نمک زياد باشد حتى آب موجود در ريشه‌ها نيز ممکن است به سمت نمک کشيده شود. اگر نمک زياد باشد حتى آب موجود در ريشه‌ها نيز ممکن است به سمت نمک کشيده شود. اگر نمک موجود در محلول خاک اندک باشد مى‌توان از پتانسيل اسمزى صرف‌نظر کرد وگرنه بايد اين پتانسيل هم مانند پتانسيل‌هاى ديگر به‌ عنوان جزئى از پتانسيل آب و خاک لحاظ گردد. در حرکت آب از يک نقطه خاک به نقطه ديگر آن پتانسيل اسمزى در نظر گرفته نمى‌شود زيرا در هر دو نقطه اين پتانسيل مساوى بوده و تفاوت آنها صفر مى‌باشد ولى در حرکت آب از خاک به داخل گياه به دليل تفاوت پتانسيل اسمزى در محيط بايد مقدار آن را در نظر گرفت.