Il potenziale idrico, in agronomia e pedologia, è un parametro differenziale che misura l'energia potenziale che ha l'acqua presente nel suolo, in riferimento alle condizioni dell'acqua libera. Questo parametro è impiegato per quantificare il lavoro che le piante devono spendere per l'assorbimento radicale ed è di basilare importanza nei calcoli relativi all'irrigazione. È convenzionalmente indicato con la lettera psi (ψ o Ψ).
Definizione Un determinato volume d'acqua, al pari di tutti i corpi, possiede un'energia potenziale che esprime la sua attitudine a compiere un lavoro e dipende dalle forze a cui è soggetta. Questa attitudine è significativa solo se espressa in termini relativi, facendo riferimento ad una condizione standard.
L'International Society of Soil Science (ISSS) definisce Giardini, op. cit. p. 224. come potenziale idrico il lavoro, riferito all'unità di volume d'acqua, che si compie o si libera portando l'acqua da un deposito di acqua pura, posto ad una determinata altezza (condizione di riferimento), alle condizioni in cui si trova nel terreno, nel punto preso in considerazione. Tale definizione si applica facendo riferimento a condizioni standard di temperatura e pressione, ad un sistema termodinamico isolato e ad una quantità infinitesimale d'acqua.
In condizioni ordinarie (terreno non saturo) l'acqua presente nel terreno è soggetta ad una pressione inferiore rispetto a quella di uno specchio d'acqua pura posto alla pressione atmosferica, in virtù delle forze aggiuntive che si esercitano sull'acqua nel sistema terreno (imbibizione dei colloidi, capillarità, osmosi). Ne consegue che l'acqua del terreno è, in condizioni normali, trattenuta con una pressione relativa negativa o tensione. Assumendo uguale a zero la condizione di riferimento, il potenziale idrico esprime una spesa energetica e assume perciò un valore negativo.
Facendo riferimento a condizioni standard, il potenziale idrico è espresso da un valore di pressione, come risulta dall'analisi dimensionale:
Per convenzione, il potenziale idrico si misura quindi in bar. Altre unità di misura si usano se invece si fa riferimento all'unità di massa (J/kg) o all'unità di peso dell'acqua (m o cm). In quest'ultimo caso l'analisi dimensionale risulta come segue:
Equazione analitica del potenziale idrico Il potenziale idrico, inteso come potenziale totale, è la risultante del concorso di più componenti, che possono avere un differente peso. Analiticamente è espresso dalla seguente equazione:
Ψ = ψ0 - ψm - ψπ - ψg + ψs ± ψx
dove è: Ψ = potenziale totale; ψ0 = potenziale di riferimento, convenzionalmente uguale a 0; ψm = potenziale matriciale o di matrice, che assume sempre valori negativi; ψπ = potenziale osmotico o di soluto, che assume sempre valori negativi; ψg = potenziale gravitazionale, che assume sempre valori negativi; ψs = potenziale idraulico o piezometrico o di sommersione, che assume sempre valori positivi; ψx = altri componenti La letteratura cita l'esistenza di altri componenti definiti potenziale elettrico, potenziale di pressione, potenziale termico, che in genere non hanno rilevanza ai fini pratici (Testini, op. cit. p. 201)..
Per motivi che sono indicati più avanti, in condizioni normali il potenziale gravitazionale ha una scarsa rilevanza e può essere trascurato; altresì può essere trascurato il potenziale osmotico, perciò alla determinazione del potenziale totale concorrono fondamentalmente il potenziale matriciale o il potenziale di sommersione. Queste due componenti sono fra loro incompatibili nello stesso punto del terreno: il potenziale matriciale è dovuto alla tensione matriciale, ossia alla pressione negativa che la matrice solida del terreno esercita sull'acqua (acqua adsorbita sui colloidi o trattenuta per capillarità); la tensione matriciale si esercita perciò quando la porosità del terreno è occupata dall'acqua solo in parte (terreno non saturo); il potenziale di sommersione è dovuto alla pressione che ha l'acqua quando il terreno è saturo; in questo caso nel punto considerato si esercita una pressione positiva (rilevabile con un piezometro) dovuta sostanzialmente alla pressione idrostatica. In base a quanto detto, in condizioni normali il potenziale idrico s'identifica, sia pure approssimativamente, con il potenziale di sommersione nei terreni saturi e con il potenziale matriciale nei terreni non saturi. In condizioni particolari è necessario prendere in considerazione anche altre componenti in quanto assumono un'incidenza non trascurabile. Una sintesi dei casi più frequenti è riportata nella seguente tabella.
ContestoEspressione analitica del potenziale idrico Come detto in precedenza, il potenziale di riferimento ψ0 si assume uguale a zero, perciò è omesso dall'espressione.Vegetazione normaleVegetazione ad alto fustoTerreno con bassa salinità non saturoΨ = - ψmΨ = - ψm - ψgTerreno con bassa salinità saturo Ψ = ψsΨ = ψs - ψgTerreno salino non saturoΨ = - ψm - ψπΨ = - ψm - ψπ - ψg Questa espressione ha in realtà una valenza pressoché teorica in quanto lo sviluppo di vegetazione arborea su suoli salsi è un caso alquanto raro. Riguarda per lo più le mangrovie, dove comunque la vegetazione non raggiunge altezze tali da avere un'incidenza significativa del potenziale gravitazionale.Terreno salino saturo Ψ = ψs - ψπΨ = ψs - ψπ - ψg
Come si può osservare dalla tabella, il potenziale idrico assume sempre valori negativi nei suoli non saturi, in quanto tutte le forze in gioco agiscono in modo additivo nel trattenere l'acqua nel terreno. Nei suoli saturi, invece, le componenti concorrono controbilanciandosi; la risultante, positiva o negativa, dipende dai pesi delle componenti in gioco: nei suoli non salini o con salinità bassa prevale il potenziale di sommersione; si può inoltre dire che le condizioni di saturazione determinano un dilavamento dei sali, con conseguente aumento del potenziale osmotico Si deve tener presente che nella generalità dei casi i valori di potenziale sono negativi, perciò per aumento di potenziale s'intende una riduzione in valore assoluto. Essendo il potenziale osmotico sempre negativo, l'aumento va interpretato come una riduzione della capacità di ritenuta dovuta all'osmosi.. nei suoli salini il potenziale osmotico prevale su quello di sommersione; per questa ragione la maggior parte delle piante non si adatta a vivere nei suoli salini neppure in condizioni di elevata disponibilità d'acqua; nel caso della vegetazione ad alto fusto ha infine un ruolo determinante l'altezza degli alberi, ma in generale prevale il potenziale gravitazionale anche con alberi alti poche decine di metri.
In definitiva, escludendo i casi particolari, la condizione più frequente è quella in cui il terreno non è saturo, il tenore salino è relativamente basso e la vegetazione non ha un notevole sviluppo in altezza. In queste condizioni si possono trascurare sia il potenziale osmotico sia il potenziale gravitazionale, identificando perciò il potenziale idrico nel potenziale matriciale.
Componenti del potenziale idrico Potenziale matriciale
Il potenziale matriciale o di matrice è generato dalla tensione matriciale, la pressione negativa risultante delle interazioni di interfaccia che si esercitano sull'acqua del terreno e che sono riconducibili a due forme: attrazione di superficie da parte dei colloidi idrofili del terreno; tensione superficiale dell'acqua. La prima si manifesta con l'adsorbimento dell'acqua sulla superficie dei colloidi (humus e minerali argillosi), la seconda con i fenomeni di capillarità che sono alla base della ritenuta idrica nei micropori. L'acqua del terreno è composta perciò da tre frazioni: una trattenuta dai colloidi per adsorbimento, una nei micropori per capillarità, una presente nei macropori e soggetta a forze estranee alla matrice del suolo e che sostanzialmente si riconducono alla forza di gravità e all'osmosi.
In condizioni normali, con basse concentrazioni saline, quella dei macropori è acqua libera e il suo potenziale è nullo perché l'unica forza che si esercita è la gravità. Le piante non esercitano sforzi per assorbire questa frazione che, anzi, può esercitare una pressione positiva in condizioni di saturazione.
L'acqua trattenuta nei micropori è soggetta ad una tensione; il suo valore è tanto più basso quanto maggiore è il raggio di curvatura dei menischi nell'interfaccia di separazione fra acqua e aria del terreno. Per sottrarre questo quantitativo d'acqua le piante devono esercitare una forza di suzione compiendo un lavoro. La sottrazione dell'acqua capillare provoca una maggiore curvatura dei menischi e, quindi un abbassamento della tensione; quando il raggio di curvatura raggiunge un valore critico una parte dell'acqua capillare viene repentinamente sottratta in blocco e quella residua si assesta nei micropori formando un nuovo equilibrio; ne consegue che il meccanismo di suzione dell'acqua dei micropori da parte delle piante procede in modo discontinuo, a sbalzi Giardini, op. cit., pp. 224-225.
L'acqua adsorbita sui colloidi è soggetta ad una tensione ancora più bassa; il suo valore è tanto più basso quanto minore è il numero di strati molecolari che rivestono la superficie dei colloidi. Si è stimato che, ad un potenziale di -15 bar, lo spessore di questo velo d'acqua è dell'ordine di 14 strati molecolari Testini, op. cit., p. 201; in queste condizioni la maggior parte delle piante priva di adattamenti xerofitici avvizzisce.
Sulla base di quanto detto, in condizioni di non saturazione, il potenziale matriciale ha un valore negativo ed è tanto più basso quanto minore è il contenuto dell'acqua nel terreno. Le piante assorbono l'acqua attingendo in modo preferenziale dalle tre frazioni citate, preferendo la frazione libera, soggetta a tensioni nulle.
Potenziale di sommersione Il potenziale di sommersione o idraulico o piezometrico è generato dalla presenza di acqua libera che occupa tutti gli spazi vuoti del terreno. Questo potenziale può considerarsi nullo oppure positivo in quanto l'acqua presente nei macropori non è soggetta a tensione. Al fine di quantificare il valore del potenziale, si può considerare il terreno alla stregua di una condotta idrica, perciò l'energia potenziale è determinata secondo le leggi della meccanica dei fluidi.
Ai fini pratici il potenziale di sommersione ha un'importanza limitata: fatta eccezione per le colture sommerse (es. il riso), la saturazione del terreno è una condizione temporanea in quanto in breve tempo l'acqua soggetta alla forza di gravità è destinata a percolare in profondità. Va in ogni modo ribadito che l'applicazione dell'equazione del potenziale idrico, in queste condizioni, richiede l'impiego del potenziale di sommersione in luogo del potenziale matriciale, anche se si tratta di un esercizio, fondamentalmente, di valenza teorica.
Potenziale osmotico Il potenziale osmotico o potenziale di soluto è generato dalla tensione osmotica, forza con cui un soluto lega l'acqua. L'acqua nel terreno non è mai allo stato puro, bensì è una soluzione in cui le molecole e gli ioni disciolti esercitano forze di attrazione elettrostatica sulle molecole d'acqua riducendone l'attività. La tensione osmotica è sempre negativa.
Il valore del potenziale osmotico, sempre riferito all'unità di volume, si determina analiticamente applicando l'equazione:
dove π è la tensione osmotica; m è la concentrazione molare; i è il fattore di van 't Hoff; R è la costante dei gas (8,3144 J·mol−1·K−1); T è la temperatura assoluta.