GROND: DIE PRODUSENT SE BELANGRIKSTE BATE Deel 9: Grondwater (i)

Grond is die mees fundamentele hulpbron vir die produsent waarsonder voedsel en natuurlike vesel nie geproduseer kan word nie. Hierdie artikel vorm deel van ‘n reeks wat hierdie hulpbron uitlig. Die interaksie van water in grond en plante is vir die saaiprodusent van besondere belang.

Grond is die medium wat water vir plante vashou en oor tyd weer aan plante beskikbaar stel. Dit dien ook as oplosmiddel vir plantvoedingstowwe wat dan die grondoplossing vorm. In die volgende paar artikels van hierdie reeks, gaan water in grond bespreek word. Die energietoestand van water is die basis van waterbeweging en -retensie in grond. In hierdie artikel word kapillariteit en die energietoestand van water in grond, bespreek.

Die watermolekuul

Fundamenteel tot water se gedrag, is die watermolekuul se struktuur. Die watermolekuul bestaan uit een suurstofatoom (O) en twee waterstofatome (H) om die chemiese verbinding H₂O te vorm. Van besondere belang is dat die twee H-atome nie reg teenoor mekaar rondom die O-atoom voorkom nie, maar dat beide aan een kant voorkom en sodoende ‘n hoek van 104,5° vorm (Figuur 1). Die implikasie hiervan is dat die watermolekuul polêr is. Dit is dus effens elektropositief aan die kant van die twee H-atome en effens elektronegatief aan die kant van die O-atoom, terwyl die watermolekuul self neutraal is.

Figuur 1: ‘n Skematiese voorstelling van ‘n watermolekuul se struktuur.

Hierdie polêre eienskap veroorsaak dat watermolekules mekaar elektrostaties aantrek (kohesie). Kohesie veroorsaak onder meer oppervlaktespanning, wat eintlik ‘n dun, digte, elastiese lagie watermolekules (meniskus) aan die oppervlak van water is. Voorts is die polêre eienskap ook verantwoordelik vir die konkawe meniskus van die wateroppervlakke, wanneer dit in byvoorbeeld ‘n glasbuisie is (adhesie).

Oppervlakspanning en die miniskus is van groot belang in grond, omdat dit die kragte veroorsaak wat water in grond vashou en laat beweeg. Die polêre eienskap veroorsaak ook dat ione soos H⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺ en Ca²⁺ met watermolekules gehidreer word. Dit bind ook elektrostaties aan positiewe klei-oppervlakke om ‘n baie dun maar digte lagie watermolekules te vorm.

Kapillêre meganisme

Kapillariteit kan gedemonstreer word wanneer ‘n dun glasbuisie (of strooitjie) se een punt in ‘n bakkie water gedruk word en die glasbuisie regop gehou word. Water beweeg teen gravitasie in die glasbuisie op, hoër as die wateroppervlakte in die bakkie. Die watermolekules “kruip” deur adhesiekragte (tussen die polêre watermolekuul en die glaswand) teen die glas op en trek die volgende watermolekuul met kohesiekragte (tussen watermolekules) saam. Hierdie beweging hou aan totdat die aantrekkingskrag van die aarde (gravitasie) op die water in die buisie gelyk is as hierdie kragte en die water dan nie verder kan beweeg nie. Hoe dunner die buisie, hoe krommer die meniskus, hoe sterker die krag en hoe hoër kan die water opkruip (sien Figuur 2). Presies dieselfde gebeur in die dun buisies tussen gronddeeltjies waar die water dan op- en sywaarts in die grond beweeg.

Figuur 2: ‘n Skematiese voorstelling van kapillêre kragte in glasbuise met verskillende buisradiusse (links), in growwe sandgrond (middel) en fyn sandgrond (regs) (Brady, NC en Weil, RR, 2002).

Die porieë in growwe sand is groter, derhalwe sal die water vinniger kan beweeg, maar nie hoog nie (sowat 400 mm hoog). In leemgrond is die porieë kleiner en kan die water sowat 800 mm hoog beweeg, hoewel stadiger. In kleigrond beweeg dit nog stadiger en dikwels nie hoog nie, omdat klei gewoonlik ‘n sterk struktuur het wat nie lang aaneenlopende kapillêre buisies het nie.

Energietoestand van water

Wanneer ‘n voorwerp van een plek na ‘n ander beweeg, word arbeid verrig en hiervoor word energie benodig. Water beweeg altyd van ‘n hoër energievlak na ‘n laer vlak. Wanneer die energievlak op een posisie dieselfde is as dié op ‘n ander posisie, sal beweging nie plaasvind nie. Verskeie faktore veroorsaak verskillende energievlakke in grond. Hierdie energievlakke verskaf die kragte vir water om te beweeg.

Gravitasiepotensiaal

Gravitasiepotensiaal verwys na gravitasiekragte wat water na die middelpunt van die aarde, dus afwaarts aantrek. Water bo in die grond word voortdurend afwaarts en dus dieper in die profiel afgetrek. Water bo in die profiel het dus ‘n hoër energievlak as water wat dieper in die profiel is. Gravitasiepotensiaal veroorsaak dus dat water ná reën of besproeiing in die grond af dreineer en dat oormatige water diep weg dreineer.

Wanneer vrywater bo-op die grondoppervlakte voorkom, oefen dit ‘n afwaartse en dus positiewe druk op water in die grond uit (ook genoem bolaagdrukpotensiaal). Dit sal dus veroorsaak dat die grondwater se energievlak verhoog en dat dit vinniger beweeg. Hoe dikker die laag water, hoe groter die waterpotensiaal.

Matrikspotensiaal

Matrikspotensiaal word deur adhesie- en kohesiekragte en ook meniskusse veroorsaak. Adhesiekragte veroorsaak dat watermolekules in ‘n dun, digte lagie aan die gronddeeltjies kleef en kohesiekragte laat ander watermolekules aan hierdie eerste lagie kleef om “lagies” watermolekules rondom die gronddeeltjies te vorm. Meniskusse vorm rondom verskillende gronddeeltjies en vorm saam met adhesie- en kohesiekragte, die matrikspotensiaal (Figure 3 a en b). Die matrikspotensiaal is ‘n negatiewe waarde en is dus ‘n suigkrag of suigspanning.

Figuur 3a: ‘n Skematiese voorstelling van matrikspotensiaal in nat grond. Figuur 3b: ‘n Skematiese voorstelling van matrikspotensiaal in droë grond.

Hierdie kragte kom soos volg in aksie: Wanneer die grond benat word, beweeg die water deur die porieë afwaarts weens die gravitasiepotensiaal. Van die watermolekules kleef aan gronddeeltjies deur middel van adhesiekragte sterker as die gravitasiekragte en derhalwe bly dit in die grond en dreineer dit nie verder af nie. Hierdie eerste lagie watermolekules hou ook ‘n paar lae watermolekules deur kohesiekragte teen gravitasiekragte vas, tot op ‘n punt waar die lae water wat met kohesiekragte vasgehou word, te swak is (gravitasie te hoog). Hierdie water dreineer dan verder af, totdat dit iewers deur die adhesie- en kohesiekragte vasgehou word of totdat dit uit die profiel uit dreineer.

Meniskusse vorm wanneer twee gronddeeltjies na aan mekaar voorkom. Water kleef aan die gronddeeltjies en aanmekaar, sodat die water tussen die gronddeeltjies aaneenlopend is, met ‘n meniskus wat aan die bo- en onderkant vorm (Figuur 3). Aanvanklik is die meniskus min gekrom, maar soos wat die grond uitdroog, word die meniskus meer gekrom, en dus word die kragte sterker. Dit verlaag dan die energievlak van die water en derhalwe moet daar meer arbeid deur gravitasie of ‘n plantwortel uitgevoer word om water teen die meniskus se kragte, weg te trek.

In sandgrond is hierdie kragte in totaal minder en die matrikspotensiaal laer (omdat die soortlike oppervlakte van sand laag is – ongeveer 0,1 m² g^-1), derhalwe kan sandgrond minder water teen gravitasie vashou. Dié water wat wel vasgehou word, word “los” vasgehou en is maklik vir plante toeganklik. Hierteenoor het kleigrond kleiner en baie meer deeltjies, dus meer oppervlakte (soortlike oppervlakte van tot 800 m² g^-1) vir adhesiekragte, meer lagies vir kohesiekragte, meer meniskusse en derhalwe ‘n baie hoër matrikspotensiaal. Kleigrond kan dus baie meer water teen gravitasie in die profiel hou, maar dit hou ook baie meer water só styf vas dat plante dit nie kan opneem nie.

Die praktiese implikasie is dus dat (sand) grond met ‘n té lae matrikspotensiaal te veel van sy water weens gravitasiekragte verloor, terwyl ‘n kleigrond met ‘n hoë matrikspotensiaal, die water te styf vashou sodat plante dit nie kan opneem nie.

Wanneer een deel van die grondprofiel droog is en die ander een is nat, verskil die energievlak tussen die twee dele, met die nat deel wat ‘n hoër energievlak en die droë deel wat ‘n laer energievlak het. Die water by die hoër energievlak sal dus na die laer energievlak beweeg. Die water sal aanhou om na die droër deel te beweeg, totdat albei dele se energievlakke dieselfde is en dan sal die water ophou om te beweeg. Hoe groter die potensiaalverskil tussen die twee dele en hoe nader die twee dele aanmekaar geleë is, hoe groter is die potensiaalgradiënt en hoe vinniger sal die water beweeg.

Osmotiese potensiaal

Die grondwater het ‘n sekere hoeveelheid organiese en anorganiese soute wat daarin opgelos is. Hierdie soute verlaag die energievlak van die grondwater omdat dit watermolekules sterk deur hidrasie aantrek. Hoe meer soute in die grondwater opgelos is, hoe groter is die osmotiese potensiaal (suigspanning en dus ‘n negatiewe syfer) en hoe meer arbeid moet ‘n plantwortel verrig om water vanuit die grond teen die osmotiese kragte te onttrek. In verbrakte grond met baie soute kan dit dus gebeur dat ‘n plant in ‘n nat grond staan en verdroog.

Totale grondwaterpotensiaal

Die totale grondwaterpotensiaal word bereken deur die bogenoemde waterpotensiale te sommeer. Sommige van hulle is positief en ander is negatief. Wanneer die totale grondwaterpotensiaal tussen twee aangrensende grondliggame verskil, sal die water van die een deel na die ander beweeg totdat die twee dele se totale grondwaterpotensiaal presies dieselfde is. Die spoed van beweging verskil afhangend van die bron van potensiaalverskil. Beweging weens gravitasiepotensiaal is vinnig (tot 2 000 mm per dag in sandgrond). Onversadigde vloei (dit sal in opvolgende artikels behandel word) weens matrikspotensiaal is stadig (sowat 1 mm tot 2 mm per dag).

Samevatting

Om beweging van grondwater te verstaan, is die kragte wat op grondwater van toepassing is belangrik. Dit het ‘n effek op onder meer die waterretensie van grond, hidrouliese geleidingsvermoë, infiltrasie, voorsiening van water aan plantwortels en die herverspreiding van water in grond. Elkeen van hierdie aspekte sal in die opvolgende artikels verder bespreek word.

Vir meer besonderhede skakel Martiens du Plessis by 072 285 5414 of stuur ‘n e-pos na: martiens@nwk.co.za of gesels met prof Cornie van Huyssteen by 051 401 9247, of stuur ‘n e-pos na: vhuystc.sci@ufs.ac.za.

Verwysings

1. Bennie, ATP. 1981. Grondkunde 354. Grond en Waterbestuur. Ongepubliseerde klasnotas vir GKD354. Universiteit van die Vrystaat: Bloemfontein.
2. Brady, NC. 1990. The nature and properties of soils. 10th ed. Macmillan publishing company: New York.
3. Brady, NC en Weil, RR. 2002. The nature and properties of soils. 13th ed. Prentice Hall: New Jersey.
4. Van Huyssteen, CW. 2009. Grondekologie. Ongepubliseerde klasnotas vir GKD214. Universiteit van die Vrystaat: Bloemfontein.