Wasserpotential

Das Wasserpotential charakterisiert die Verfügbarkeit von Wasser in einem System (z. B. Pflanzengewebe oder Boden). Es wird in der Pflanzenphysiologie und der Bodenkunde zur Beschreibung der Wasseraufnahme oder des Wassertransports in Pflanzen verwendet und mit $\psi$ (griechischer Buchstabe Psi) bezeichnet. Differenzen bzw. Gradienten des Wasserpotentials treiben den Wassertransport an, wobei das Wasser vom Ort mit dem höheren zum Ort mit dem niedrigeren Potential fließt (z. B. Boden – Wurzel, Blatt – Luft).

Das Potentialkonzept dient in der Bodenkunde auch zur Beschreibung von Transportprozessen, an denen Pflanzen nicht beteiligt sind (z. B. Versickerung). Dazu wird nicht das Wasserpotential, sondern das Hydraulische Potential verwendet.

Aus physikalischer Sicht werden die Potentiale des Wassers hergeleitet aus seinem chemischen Potential, skaliert auf andere Einheiten. Sie sind ein Maß für die Arbeit, die geleistet werden muss, um (bei konstantem Druck und konstanter Temperatur) eine Einheitsmenge Wasser aus einem System in ein Referenzsystem zu transportieren.

Da Wasserpotentiale in der Natur in der Regel negative Werte annehmen, hat das höhere Potential (im Sinne der größeren Zahl inkl. Vorzeichen) den kleineren Betrag, und umgekehrt. So wird zum Beispiel Wasser von einer Stelle mit einem Wasserpotential von $0\ \mathrm {MPa}$ (völlig gesättigt) zu einer anderen Stelle mit einem Wasserpotential von $-0{,}5\ \mathrm {MPa}$ fließen.

Als veraltetes und physikalisch nicht ganz korrektes, aber anschauliches Synonym kann auch der Ausdruck Saugkraft verwendet werden.

Theoretische Grundlagen

Das Potential von Wasser in Boden oder Pflanze wird über sein chemisches Potential $\mu$ definiert:

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

Hierbei ist

• $\mu _{0}$ das chemischen Potential in einem Standardzustand, üblicherweise reines Wasser bei Atmosphärendruck auf einer festgelegten Referenzhöhe,
• ${\overline {V}}$ das Molvolumen von reinem flüssigem Wasser.

Die Größenart des Potentials ist damit die Energie pro Volumen, was gleichbedeutend mit Druck ist. Als Maßeinheit wird meist Megapascal ($\mathrm {MPa}$) verwendet.

Zerlegung in Teilpotentiale

Das Wasserpotential $\psi$ wird häufig in eine Summe von Teilpotentialen zerlegt, welche unterschiedliche physikalische Effekte beschreiben. In der flüssigen Phase gilt dabei:

$\psi =\psi _{\text{s}}+\psi _{\text{p}}+\psi _{\text{m}}+\psi _{\text{g}}\;.$

Die auftretenden Teilpotentiale sind dabei:

• Das Osmotische Potential $\psi _{\text{s}}$ (auch: Lösungs­potential) ist von der Konzentration gelöster Stoffe, insbesondere Salzen, abhängig (siehe Kolligative Eigenschaft). Es ist gleich dem Negativen des osmotischen Drucks $\Pi$, d. h. $\psi _{\text{s}}=-\Pi$. In Böden in Trockengebieten und in den Marschen kann das osmotische Potential besonders ausgeprägt negativ sein.
• Das Druckpotential $\psi _{\text{p}}=p$ berücksichtigt den Effekt des hydrostatischen Drucks $p$ bzw. Turgors innerhalb des beobachteten Systems. Es ist vor allem im Protoplast bzw. Symplast von Pflanzenzellen relevant.
• Das Matrixpotential $\psi _{\text{m}}$ (auch: Kapillar­potential) umfasst alle Oberflächeneffekte, mit denen Wasser von einem porösen Medium (Boden oder Zellwand bzw. Apoplast) festgehalten wird. Das Matrixpotential ist umso stärker negativ, je feiner die Poren sind (im Boden: je feinkörniger er strukturiert ist). Wenn die Poren langsam austrocknen, steigt der Betrag des Matrixpotentials an, bis nur noch das nicht mobilisierbare Totwasser in den feinsten Poren vorhanden ist. Das Matrixpotential entspricht der Bodenwasserspannung mit umgekehrtem Vorzeichen.
• Das Gravitationspotential $\psi _{\text{g}}$ beschreibt den Einfluss der Lageenergie auf das Wasser. Mit der Dichte flüssigen Wassers $\rho _{\mathrm {H_{2}O} }\approx 998~\mathrm {kg\,m^{-3}}$, der Erdbeschleunigung $g\approx 9{,}81~\mathrm {m\,s^{-2}}$ und der Höhe $h$ relativ zum Referenzzustand gilt $\psi _{\text{g}}=\rho _{\mathrm {H_{2}O} }\,g\,h$. Das Gravitationspotential ist dann relevant, wenn Wasser über große Höhen transportiert wird, beispielsweise in Bäumen.

Eingesetzt ergibt sich:

$\psi =-\Pi +p+\psi _{\text{m}}+\rho _{\mathrm {H_{2}O} }\,g\,h\;.$

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.

Literatur

• Karl-Heinrich Hartge, Rainer Horn: Einführung in die Bodenphysik. 3. Auflage. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-432-89683-2, Abschnitte 4.4 Potential des Bodenwassers und 9.1 Bedürfnisse der Pflanzen hinsichtlich Wasserversorgung, S. 119–128, 235–239.