水の可能性：コンポーネント、方法、例 - 環境 - 2025

水ポテンシャルは、自由エネルギーや水の一定量を持って仕事を行うことが可能です。したがって、滝または滝の上部にある水は、たとえばタービンを動かすことができる高い水ポテンシャルを持っています。

水のポテンシャルを表すために使用される記号は、psiと呼ばれるギリシャの大文字で、Ψと表記されています。あらゆるシステムの水ポテンシャルは、標準と見なされる条件（圧力1気圧、調査対象のシステムと同じ高さと温度）での純水の水ポテンシャルを基準に測定されます。

浸透圧ポテンシャル。出典：Kade Kneeland / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）

水ポテンシャルを決定する要素は、重力、温度、圧力、水和、および水中に存在する溶質の濃度です。これらの要因は水のポテンシャル勾配の形成を決定し、これらの勾配は水の拡散を促進します。

このようにして、水は水ポテンシャルの高い場所から水ポテンシャルの低い場所に移動します。水ポテンシャルの構成要素は、浸透ポテンシャル（水中の溶質の濃度）、マトリックスポテンシャル（多孔質マトリックスへの水の付着）、重力ポテンシャル、および圧力ポテンシャルです。

水ポテンシャルの知識は、様々な水文学的および生物学的現象の機能を理解するために不可欠です。これらには、植物による水と栄養素の吸収と土壌中の水の流れが含まれます。

水のポテンシャルの要素

水ポテンシャルは、浸透ポテンシャル、マトリックスポテンシャル、重力ポテンシャル、圧力ポテンシャルの4つの要素で構成されています。これらの成分の作用は、水力ポテンシャル勾配の存在を決定します。

浸透ポテンシャル（Ψs）

ミネラル塩などの固体（溶質）が溶解しているため、通常、水は純粋な状態ではありません。浸透ポテンシャルは、溶液中の溶質の濃度によって与えられます。

溶質の量が多いほど、水の自由エネルギーは少なくなります。つまり、水のポテンシャルは低くなります。したがって、水は、低濃度の溶質を含む溶液から高濃度の溶質を含む溶液に流れることによって、平衡を確立しようとします。

マトリックス電位またはマトリックス電位（Ψm）

この場合、決定要因は水和可能な材料のマトリックスまたは構造の存在です。つまり、水に対する親和性があります。これは、分子間、特に水分子、酸素原子、水酸基（OH）基の間に形成される水素結合によって生じる接着力によるものです。

たとえば、土壌粘土への水の付着は、マトリックスポテンシャルに基づく水のポテンシャルの場合です。水を引き付けることによってこれらのマトリックスは正の水ポテンシャルを生成します。したがって、マトリックスの外側の水はそれに向かって流れ、スポンジで発生するときに内側にとどまる傾向があります。

高さまたは重力ポテンシャル（potentialg）

地球の重力は、この場合、水が下向きに落下する傾向があるため、ポテンシャル勾配を確立するものです。特定の高さにある水は、地球がその質量に及ぼす引力によって決まる自由エネルギーを持っています。

重力による水の動き。出典：Bilal ahmad / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）

たとえば、上げられた水タンク内の水は、パイプに自由に落下し、蛇口に到達するまでその運動（運動）エネルギーで移動します。

圧力ポテンシャル（Ψp）

この場合、圧力下の水は自由エネルギーが大きく、つまり水のポテンシャルが大きくなります。したがって、この水は圧力下にある場所からそうでない場所に移動するため、自由エネルギーが少なくなります（水のポテンシャルが低くなります）。

たとえば、スポイトを使用して滴を投与する場合、ゴムのノブを押すことで、水にエネルギーを与える圧力をかけます。この高い自由エネルギーにより、水は圧力の低い外部に移動します。

水ポテンシャルを決定する方法

水ポテンシャルを測定する方法にはさまざまなものがあります。土壌に適したもの、組織に適したもの、機械式油圧システムに使用するものなどがあります。水のポテンシャルは圧力の単位に相当し、大気、バー、パスカル、またはpsi（英語の頭字語では1平方インチあたりのポンド）で測定されます。

これらの方法の一部を次に示します。

Scholanderポンプまたは圧力チャンバー

植物の葉の水分ポテンシャルを測定したい場合は、圧力チャンバーまたはスコランダーポンプを使用できます。これは、葉全体（葉柄のあるシート）が配置される気密チャンバーで構成されます。

圧力チャンバーによる葉の水ポテンシャルの測定。出典：Pressurebomb.svg：Aibdescalzoderivative work：Aibdescalzo / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

次に、圧力ガスを導入してチャンバー内の圧力を上げ、到達した圧力を圧力計で測定します。葉のガスの圧力は、葉に含まれている水が葉柄の血管組織を通して噴出する点まで増加しています。

水が葉を離れるときに圧力計によって示される圧力は、その水ポテンシャルに対応します。

圧力プローブ

圧力プローブと呼ばれる特別な機器を使用して水ポテンシャルを測定するいくつかの代替案があります。それらは主にマトリックスのポテンシャルに基づいて、土壌の水ポテンシャルを測定するように設計されています。

たとえば、湿度センサーに接続された多孔質セラミックマトリックスを土壌に導入することに基づいて機能するデジタルプローブがあります。このセラミックは、セラミックマトリックス内の水ポテンシャルと土壌の水ポテンシャルの間のバランスに達するまで、土壌内の水で水和されます。

その後、センサーはセラミックの含水率を決定し、土壌の水ポテンシャルを推定します。

圧力プローブ付きマイクロキャピラリー

植物の茎などの植物組織の水ポテンシャルを測定できるプローブもあります。モデルは、組織に挿入される非常に細い先端の細いチューブ（マイクロピラーチューブ）で構成されます。

生体組織に浸透すると、細胞に含まれる溶液は、茎に含まれる圧力によって定義される電位勾配に従い、マイクロパイルに導入されます。ステムからの液体がチューブに入ると、チューブに含まれているオイルを押して、水ポテンシャルに対応する値を割り当てる圧力プローブまたは圧力計をアクティブにします

重量または体積の変動

浸透ポテンシャルに基づいて水ポテンシャルを測定するために、溶質の異なる濃度の溶液に浸された組織の重量変動を決定することができます。このために、一連の試験管が準備され、それぞれが既知の増加する濃度の溶質、例えばスクロース（糖）を含む。

言い換えると、5つのチューブのそれぞれに10 ccの水がある場合、1 mgのスクロースが最初のチューブに、2 mgが2番目のチューブに、最後のチューブが5 mgまで加えられます。したがって、スクロース濃度のバッテリーが増えています。

次に、同じで既知の重量の5つのセクションを、水分ポテンシャルを測定する組織（たとえば、ジャガイモの小片）から切り取ります。次に、各試験管に切片を入れ、2時間後、組織切片を取り出して計量します。

期待される結果と解釈

いくつかのピースは水分損失から体重が減少すると予想され、他のピースは水分を吸収したために体重が増加し、さらに他のピースは体重を維持します。

水分を失ったものは、スクロース濃度が組織内の溶質濃度よりも高い溶液でした。したがって、浸透ポテンシャルの最高濃度から最低濃度への勾配に従って水が流れ、組織は水分と重量を失った。

対照的に、水と体重が増えた組織は、組織内の溶質の濃度よりもスクロースの濃度が低い溶液でした。この場合、浸透ポテンシャル勾配は、組織への水の侵入を促進しました。

最後に、組織が元の重量を維持した場合、それが見つかった濃度は同じ濃度の溶質であると推測されます。したがって、この濃度は調査した組織の水ポテンシャルに対応します。

例

植物による吸水

高さ30 mの樹木は、地面から最後の葉に水を運ぶ必要があり、これはその血管系を介して行われます。このシステムは、死んでいて非常に細い管のように見える細胞で構成される特殊な組織です。

植物の水の動き。出典：Laurel Jules / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

大気と葉の間に発生する水ポテンシャルの違いにより輸送が可能になり、葉は血管系に伝達されます。葉は、環境（低水ポテンシャル）と比較して、その中の水蒸気の濃度（高水ポテンシャル）が高いため、気体状態の水を失います。

蒸気の損失は、血管系の血管から葉身に向かって水を強制する負圧または吸引を生成します。この吸引力は、根元に到達するまで血管から血管へ伝わり、そこで細胞と細胞間空間は土壌から吸収された水で吸収されます。

根の表皮細胞の水と土壌の水との間の浸透電位の差により、土壌からの水は根に浸透します。これは、根の細胞が土壌水よりも高濃度の溶質を持っているために発生します。

粘液

乾燥した環境にある多くの植物は、粘液（粘性物質）を生成して水を保持し、その液胞に貯蔵されます。これらの分子は水を保持し、その自由エネルギー（低水ポテンシャル）を低減します。この場合、水ポテンシャルのマトリックス成分が決定的です。

高架水槽

高架水槽を利用した給水システムの場合、圧力ポテンシャルの影響で水が満たされます。水道サービスを提供する会社は、油圧ポンプを使用して水に圧力をかけるため、重力に打ち勝ってタンクに到達します。

タンクが満杯になると、タンクに貯えられた水と家の排水口との間に電位差があるため、水はタンクから分配されます。蛇口を開くと、蛇口の水とタンクの水の間の重力ポテンシャル勾配が確立されます。

したがって、タンク内の水は自由エネルギーが高く（水ポテンシャルが高く）、主に重力によって落下します。

土壌中の水の拡散

粘土と水との間に形成される付着力を考えると、土壌の水ポテンシャルの主成分はマトリックスポテンシャルです。一方、重力のポテンシャルは土壌中の水の垂直変位勾配に影響を与えます。

土壌で発生する多くのプロセスは、土壌に含まれる水の自由エネルギー、つまり水ポテンシャルに依存しています。これらのプロセスには、植物の栄養と蒸散、雨水の浸透、土壌からの水の蒸発が含まれます。

農業では、灌漑と施肥を適切に行うために土壌の水ポテンシャルを決定することが重要です。土壌の母性ポテンシャルが非常に高い場合、水は粘土に付着したままとなり、植物による吸収に利用できなくなります。

参考文献

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