تحلیل مسیر آب و املاح معدنی در آوند چوبی از مبداء تا مقصد :

تحلیل مسیر آب و املاح معدنی در آوند چوبی از مبداء تا مقصد :
ریشه : قسمت زیرزمینی گیاه میباشد . از نسبت وزن ریشه به وزن کل گیاه اطلاع دقیقی در دست نیست در یک مطالعه انجام شده تحت شرایط کشت هیدروپونیک ،وزن ریشه حدود 25 درصد وزن کل بوته گندم را در مرحله دو تا سه برگی تشکیل میداد . هر چه ریشه ظریفتر بوده و توسعه بیشتر وسطح زیادتری داشته باشد در جذب آب و املاح موفق تر خواهد بود .منطقه فعالیت ریشه غالبا از روی وزن خشک ریشه در قسمتهای مختلف خاک اندازه گیری میشود.
ساقه : مشخصه ظاهری ساقه وجود گره هایی است که ساقه را به بخشهایی تقسیم مینماید و فاصله دو گره را میانگره گویند. برگها و ساقه های جانبی در محل گره ها به ساقه اصلی متصل میباشند . نگرشی بر وظایفی که بر عهده ساقه است بیانگر اهمیت این اندام است . این وظایف عبارتند از :
هدایت آب و مواد غذایی جذب شده از ریشه به برگها و انتقال و توزیع مواد غذایی ساخته شده از برگها به سایر قسمتهای گیاه
نگهداری اندامهای هوایی گیاه وتوزیع فضایی برگها و گلها جهت جذب نور ، تبادل و بخار آب وگرده افشانی
ذخیره مواد غذایی
انجام فوتوسنتز
مسیری که قرار است در این پروژه مورد تحلیل ترمودینامیکی قرار گیرد از ریشه آغاز وبه بخشی از قسمت انتهایی ساقه ختم میشود در این مسیر ما سرعت جریان را در آوندهای چوبی بررسی مکنیم. راه عمده ی ورود آب به درون اغلب گیاهان از طریق سلول های بشره ای و تارهای ریشه در نوک ریشه یا نزدیکی آن است.
در درختان و بوته های بسیاری به نظر می رسد که مقادیر قابل توجهی ممکن است از راه قسمت های مسن و چوب پنبه ای شده ی ریشه جذب شود بدون توجه به بافت هایی که آب در سر راه خود از آنها عبور می کند، بالاخره به درون آوندهای چوبی ریشه جریان می یابد موقعی که به مجاری آوندهای چوبی می رسند جهت جریان آن رو به بالاست بافت آوند چوبی از نقطه ای کمی عقب تر است نوک های ریشه شروع می شود و از طریق ریشه به ساقه و طی آن، به دم برگ ها و بالاخره معمولاً بعد از انشعاب بسیار در برگ خاتمه می یابد. اغلب سلول های برگ فقط به فاصله ی چند سلول از رگ برگ ها یا انتهای آنها قرار دارند. بنابراین بافت های آوند چوبی که آب در آنها جریان می یابد یک سیستم واحد پیوسته درون گیاه می باشند.آب در بیشتر طول مسیر خود به صورت توده ای درون آوندهای چوبی جریان می یابد در برگ آب از مجاری آوند چوبی به سلول های مزوفیل وارد می شود و در مزوفیل از سلولی به سلول دیگر جریان می یابد که بیشتر آن با تبخیر از سلول ها به فضای بین سلولی وارد می شود. جریان آب به درون سلول های ریشه و مزوفیل برگ باید جزء فرایند انتقال آب شمرده شود.
اگرچه مقدار بسیار زیادی از آب که درون گیاه جریان می یابد مسیری را که تشریح شد طی می کند و در اثر تعرق از دست می دهد. نوک ساقه، ریشه ها، میوه ها نیز که فعالانه رشد می کنند مقادیر قابل توجهی آب را به طور عمده در مرحله ی بزرگ شدن، و سلول های کلروفیل دار مقداری از آن را در مراحل فتوسنتز مصرف می کنند به هر حال در اغلب گونه ها بیش از یک الی دو درصد آبی که وارد گیاهان می شود در رشد و فرایندهای متابولیسمی مصرف نمی شود و بقیه طی تعرق گیاه از دست می رود.
در ادامه به بررسی نظریه های مربوط به مکانیزم های انتقال آب در مسیر مورد نظر می پردازیم:
نظریه های مربوط به مکانیزم آب درون گیاهان :
تعدادی نظریه درباره مکانیزمی که به وسیله آن صعود شیره خام در گیاهان انجام میگیرد ارائه شده است و احتمال دارد که بیش از یک مکانیزم در این فرایند دخالت داشته باشد . دانش امروزی ما بحث درباره 3 مکانیزم انتقال صعودی اب را ممکن میسازد:
نظریه زیستی : اگرچه آوندهایی که در آنها انتقال طولی آب انجام میگیرد غیر زنده اند اما آنها کم و بیش با سلول های زنده در ارتباط هستند بنابراین در زمانهای مختلف اظهارنظر شده است که صعود آب در گیاهان به نحوی توسط سلولهای زنده ساقه انجام میگیرد اگر چه در تائید این نظریه تقریبا شواهد مستقیمی وجود ندارد . آزمایشهای بیشماربه طور روشن نشان میدهد که مکانیزم اصلی صعود آب در درختان، مستقل از سلولهای ساقه عمل میکند . در یک آزمایش ،یک درخت 75 ساله به ارتفاع تقریبا 22 متر به کار رفت . این درخت در سطح زمین قطع وسطح بریده آن در محلول اسید پیکریک ،که یک ماده سمی برای سلولهای زنده است قرار گرفت . فوشین که یک ماده رنگی است ،سه روز بعد به محلولی که انتهای بریده در آن قرار داشت اضافه گردید.
منبع :http://machinalat.blogfa.com

این ماده پس از عبور از بافتهایی که سلولهای آنها در اثر اسید پیکریک کشته شده بود به بالای درخت صعود کرد . صعود آب درون ساقه هایی مشابه که سلولهای آنها در اثر حرارت 95 درجه کاملا کشته شده بود ،نیز انجام گرفت .در همه آزمایشهااز نوعی که در بالا اشاره شد ملاحظه شد که برگهای قسمت بالای ساقه ای که بخشی از آن کشته شده بود ،دیر یا زود پژمرده میشوند و میریزند ،طرفداران نظریه زیستی آن را به عنوان دلیل اینکه سلولهای زنده ساقه در جریان آب درون آوند نقش اساسی دارند ،پذیرفته اند.
نظریه فشار ریشه : تراوش شیره آوندی اغلب از انتهای ساقه یا کنده بریده شده ویا از بریدگی یا سوراخی که روی گیاهان انجام میگیرد روی میدهد .چنین تراوشهایی اغلب نتیجه ایجاد فشاری در شیره رقیق مجاری آوند چوبی است که از عمل یک مکانیزم در ریشه نتیجه میشود بنابراین فشار ریشه خوانده میشود .تعریق(خروج آب از سطح گیاه به صورت مایع )نیز در گیاهان سالم نتیجه فشار ریشه است .میزان فشار ریشه در هر گیاه  را معمولا میتوان توسط یک فشارسنج اندازه گیری کرد .به جز چند مورد استثنایی، فشار شیره آوندی که سنجیده شده بیش از 2 بار نیست واغلب کمتر از این است . اگرچه شکی نیست که فشار ریشه در بعضی از گونه های گیاهان تحت شرایط معینی باعث صعود مقداری آب درون گیاه است ولی دلایلی وجود دارد که نشان میدهد که چرا این فرایند نمیتواند مکانیزم اصلی یا مهم در جریان آب درون گیاه به شمار آید .اولا ، گونه های بسیاری از گیاهان وجود دارند که در آنها پدیده فشار ریشه هرگز دیده نشده است ،ثانیا فشار ایجاد شده به ندرت ،کافی برای صعود آب به قسمتهای بالای گیاه به استثنائ گونه های پا کوتاه میباشد .
نظریه نیروی همچسبی ذرات آب :  مولکولهای آب اگرچه لا ینقطع در حال حرکتند ولی به شدت نسبت به هم دارای جاذبه هستند در توده آب مایع وجود چنین جاذبه ای آشکار نیست ولی وقتی آب به لوله باریک و بلندی محدود شود وجود آن اغلب نشان داده میشود اگر آب در بالای چنین لوله ای تحت مکش قرار بگیرد فشار ایجاد شده به علت جاذبه بین مولکولی در سرتاسر ستون آب انتقال مییابد بعلاوه به علت وجود نیروی چسبندگی میان مولکولهای آب ودیواره آب از دیواره جدا نمیشود. به علت همچسبی بین مولکولهای آب و دگرچسبی ذرات آب ودیواره مجاری آوندی هر  فشاری که در هر نقطه از این سیستم ایجاد شود در تمام قسمتهای آن پخش خواهد شد .هرگاه تبخیر از سطح گیاه افزایش یابد این فشار نیز افزایش می یابد.

مدل تعادل حرارتی ساقه برای اندازه گیری جریان شیره گیاهی در ساقه های گیاهان علفی :
 در این پروژه استفاده از تکنیکهای دمایی برای اندازه گیری جریان آب و املاح معدنی در ساقه و ریشه های گیاهان جهت مطالعه روابط رطوبتی شرح داده میشود . به طور معمول روشهای استفاده شده شامل روشهای پالس حرارتی میباشد که اولین آن توسط هابردر سال 1932 پیشنهاد شد که در اواخر نیمه دوم قرن بییستم توسعه داده شده است . دو روش از روشهای تعادل حرارتی عبارتند از :
روش تعادل گرمایی در تنه درخت
روش تعادل گرمایی در ساقه های علفی
اولی برای اندازه گیری آهنگ جریان شیره گیاهی در درختان بزرگ توسعه داده شد . برجسته ترین نمایش انتقال صعودی آب در درختان روی میدهد . تعدادی از انواع درختان لااقل به ارتفاع 100 متر میرویند و در میان آنها سکویا ، درخت غول کالیفرنیا ، داگلاس شمال غربی آمریکا ،و اکالیپتوس استرالیا میباشد . روش دوم در اصل به وسیله شخصی به نام ساکاراتانی در سال 1981 برای اندازه گیری آهنگ جریان شیره گیاهی در گیاهان علفی بر پایه تعادل انرژی از یک قسمت ساقه وبا انرژی گرمایی فراهم شده به وسیله یک گرما ساز حلقوی خارجی پیشنهاد شده است . در این پروژه روش دوم را مختصرا بررسی میکنیم (SHB).
عوامل موثر بر تعرق :
شدت تعرق یک گیاه یا هر برگی روی یک گیاه روز به روز ،ساعت به ساعت و اغلب دقیقه به دقیقه تغییر میکند تغییرات سرعتی که با آن بخار آب از گیاهان از دست میرود نتیجه اثرات عوامل محیطی روی شرایط فیزیولوژیکی درون گیاه است عوامل محیطی مهم که در شدت تعرق موثرند عبارتند از : 
تشعشع خورشیدی ، رطوبت، درجه حرارت، باد، آب قابل جذب خاک 
تشعشع خورشیدی :
 این اصطلاح به نور مرئی و سایر انرژی تشعشعی اطلاق میشود که از خورشید به زمین میرسد اثرات عمده تشعشع خورشیدی روی تعرق نتیجه اثر نور روی باز وبسته شدن روزنه هاست . در اغلب گونه های گیاهی که مطالعه شده روزنه ها در فقدان نور بسته اند وبدین سبب توقف کامل تعرق روزنه ای در ساعات تاریکی میشوند . چون هیچ عامل محیطی دیگر نمیتواند روی تعرق روزنه ای مگر وقتی روزنه باز است اثری بگذارد ،بنابراین نور از نظر اهمیت در میان شرایط محیطی که بر تعرق موثرند در درجه اول قرار دارد . اثر دوم تشعشع خورشیدی روی تعرق تاثیر آن روی درجه حرارت برگ است این اثر به علت نداشتن زمان کافی درطول این ترم تحصیلی مورد بررسی قرار نمیگیرد .
رطوبت :
واحد اساسی برای بیان رطوبت فشار بخار است که نمایانگر فشار جزئی بخار آب میباشد برای هر درجه حرارت معین اتمسفر یک فشار بخار حداکثر وجود دارد که میتواند تولید شود که بخار اشباع نامیده میشود . مدت ها روال بر این بوده است که فشار بخار را از نظر کمیت با فشار معادل آن بر حسب میلیمتر جیوه بیان میکردند به هر حال واحد بیان چنین مقادیری در سیستم متریک ، میلی بار یعنی یک هزارم بار است یک میلی متر جیوه معادل 1.32 میلی بار است . یک واحد معمولی بیان مقادیر رطوبت ، رطوبت نسبی است که درصد اشباع اتمسفر است به عبارت دیگر ، نسبت فشار بخار واقعی به فشار بخار اشباع در درجه حرارت یکسان ضربدر 100 است . بادر دست بودن رطوبت نسبی ودرجه حرارت محیط ، فشار بخار واقعی آن را باضرب کردن فشار بخار اشباع ان درجه حرارت ، در رطوبت نسبی بدست می آید رطوبت نسبی معمولا واحد مناسبی برای مقادیر رطوبت در بررسی های فیزیولوژیکی نیست .زیرا تابعی از فشار بخار و درجه حرارت میباشد .

به طور کلی هر قدر فشار بخار اتمسفر بیشتر باشد و سایر عوامل بدون تغییر بماند ، شدت تعرق کمتر است  هر وقت روزنه ها زیاد باز باشند، شدت انتشار بخارآب از برگ خارج به طور عمده تحت تاثیر اختلاف فشار بخار فضای بین سلولی و آتمسفر خارج است.
درجه حرارت.
اثر درجه حرارت روی تعرق روزنه ای به روشنترین وجهی می تواند برحسب اثر آن روی تفاوت فشار بخار آب میان فضای بین سلولی و آتمسفر خارج تجزیه و تحلیل گردد. فرض کنیم که درجه حرارت یک برگ با روزنه های بازو آتمسفر اطراف آن هر دو از 20 درجه سانتیگراد به 30 درجه افزایش یابد. اگر برگ به طور محسوسی کمبود آب نداشته باشد این امر سبب خواهد شد که فشار بخار فضای بین سلولی از 2/23 میلی بار به 42 میلی بار افزایش یابد، که این مقادیر به ترتیب مقادیر فشار بخار آتمسفر اشباع شده در 20 و 30 درجه سانتیگراد است.
آتمسفر بین سلولی برگ با سطح تبخیری نسبتاً وسیع سلولهای کلروفیل دار در تماس مستقیم است. برای ساده شدن مطلب فرض می شود که آتمسفر فضای بین سلولی اساساً در درجه حرارت موجود فشار بخار آتمسفر اشباع شده را دارد. ولی در آتمسفر محیط وضعیت فشار بخار کاملاً متفاوت است. در روزهای صاف یعنی نمونه، روزی که در آن تعرق با بیشترین شدت انجام می شود، طی یک روز در سطح زمین که جریان آزاد هوا برقرار است در فشار بخار آتمسفر اندک تغییری روی می دهد (شکل 6-7).
به هر حال تغییرات قابل ملاحظه ای در حوالی گیاهان که سریعاً تعرق می کنند وقتی جریان هوا کند یا متوقف می شود ممکن است روی دهد. اگر از نظر هدف مثالی که در اینجا مطرح است فرض کنیم فشار بخار آتمسفر در 20 درجه نصف فشار بخار آتمسفر اشباع شده در همان درجه حرارت، یعنی ( 6/11 = 2 ÷ 2/23 ) میلی بار باشد، بنابراین تفاوت فشار بخار در 20 درجه میان فضای بین سلولی و آتمسفر خارج 6/11 = 6/11 2/23 میلی بار است.
در 30 درجه سانتی گراد به هر حال فشار بخار فضای بین سلولی به 0/42 میلی بار افزایش می یابد در صورتی که افزایش فشار بخار آتمسفر محیط در اغلب شرایط آنقدر کوچک خواهد بود که می توان در تجزیه و تحلیل اثر درجه حرارت روی تعرق از آن صرف نظر کرد. تفاوت فشرا بخار فعلی ( 6/11 – 0/42 ) 4/30 میلی بار است که منجر به انتشار بخار آب به خارج برگ با شدتی تقریباً سه برابر شدت در 20 درجه سانتیگراد خواهد شد.
بنابر این اثر افزایش درجه حرارت به طور عمده ، افزایش تندی شیب فشرا بخار آب از راه روزنه ها و در نتیجه افزایش شدت تعرق است.
در بحث قبلی فرض شد که برگ و آتمسفر محیط هر دو دارای یک درجه حرارت هستند. همان طور که بحث های بعدی نشان خواهد داد، درجه حرارت برگ در معرض مستقیم نور آفتاب معمولاً بالاتر از درجه حرارت آتمسفر محیط است. اگر درجه حرارت برگ با جذب تشعشع خورشیدی بیش از درجه حرارت محیط افزایش یابد، اثر معمولی آن افزایش میزان اضافه فشار  بخار فضای بین سلولی از فشار بخار آتمسفر است.
در 30 درجه سانتیگراد تحت شرایطی که در اینجا ذکر شده است تفاوت فشار بخار فضای بین سلولی و آتمسفر 4/30 میلی بار است. اگر به هر حال در اثر جذب تشعشع خورشید درجه حرارت برگ به 35 درجه سانتی گراد افزایش یابد آب از دیواره های سلولهای کلروفیل دار تبخیر می شود تا فشار بخار فضای بین سلولی تقریباً معادل فشار بخار اشباع آتمسفر در آن درجه حرارت ( 7/55 میلی بار ) گردد.
با فرض اینکه حرارت هوا در 30 درجه سانتیگراد باقی بماند شیب فشار بخار فضای بین سلولی و آتمسفر ( 6/11 – 7/55 ) 12/44 میلی بار می شود که می تواند منجر به انجام تعرق با شدتی بیشتر از وقتی که برگ و محیط هر دو در 30 درجه بودند شود.
با توجه به این که یک برگ معمولاً در روزهای آفتابی مختصری از هوای اطراف خود گرمتر است، از بحث های قبلی باید واضح باشد که امکان دارد حتی اگر فشار بخار آتمسفر محیط به حد اشباع برسد ( رطوبت نسبی 100 درصد) تعرق از برگ انجام گیرد. مثلا با هوای اشباع شده در 30 درجه و فشار بخار 42 میلی بار و یک برگ با فضای بین سلولی اشباع شده در 35 درجه و فشار بخار 55.7 میلی بار یک تفاوت فشار بخار برابر 13.7 میلی بار وجود خواهد داشت . شدت انتشار بخار آب به خارج از راه روزنه ها نیز تحت تاثیر درجه حرارت است .به طور کلی هر قدر درجه حرارت بالاتر باشد شدت انتشار بیشتر است . به هر حال به علت پایین بودن Q  انتشار این اثر زیاد محسوس نیست و به طور قطع از نظر اهمیت در مقایسه با اثر درجه حرارت روی تندی شیب فشار بخار از راه روزنه ها در درجه دوم قرار دارد .
باد :
اثرات باد روی شدت تعرق پیچیده است و تاحدودی بستگی به شرایط محیطی موجود دارد باد با سرعت کم دو اثر عمده و اغلب مخالف روی شدت تعرق دارد . در هوای آرام بخار آب در اطراف برگ در حال تعرق جمع میشود یک نسیم حتی با سرعت ملایم ، به طور عمده یا کلا این مولکولهای مجتمع را پراکنده میسازد که منجر به افزایش تندی فشار شیب بخار از راه روزنه ها ودر نتیجه افزایش در شدت از دست دادن بخار آب میشود . وقتی روزنه ها زیاد یا کاملا بسته باشند یا اتمسفر نزدیک به فشار بخار اشباع باشد ، یک چنین اثر روی تعرق کمتر محسوس خواهد بود .
باد همچنین اثری روی درجه حرارت برگ دارد که به نوبه خود ممکن است در شدت تعرق موثر واقع شود . معمولا وزش باد سبب میشود که درجه حرارت برگ از موقعی که هوا آرام است کمتر شود . چنین اثر خنک کنندگی بسیار امکان دارد که تحت شرایط تشعشع خورشید غالب آید . در تشعشع خورشیدی با شدت کمتر باد اثر کمی روی درجه حرارت برگ دارد یا ممکن است باعث افزایش آن شود .
اثر کلی باد روی تعرق در هر زمانی بستگی به اثر نسبی آن روی تندی شیب فشار بخار آب از راه روزنه ها وروی درجه حرارت برگ دارد . تکان خوردن شاخه ها و لرزش برگها در باد به پیچیدگی اثر این عامل روی تعرق کمک میکند . باد خیلی شدید ممکن است منجر به کندی محسوسی در شدت تعرق شود .
همانطور که مشاهده میکنید اثر تعرق گیاه بسیار پیچیده است و از نظر ما به علت نبود امکانات ، بررسی ترمودینامیکی پیچیده ای دارد که احتیاج به زمان بیشتری برای بررسی دارد شاید در ترمهای تحصیلی آینده این اثر بررسی شود