Die Messung der hydraulischen Leitfähigkeit zeigt, wie gut Pflanzen ihre Blätter mit Wasser versorgen können. Die hydraulische Leitfähigkeit von Stämmen, Zweigen und Wurzeln können im Unterricht mit einfachen, preiswerten Gerätschaften gemessen werden. Zur Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit sollten die Äste länger sein als die mittlere Länge der Xylemgefäße (siehe vorangegangenes Experiment).
Aufbau der Apparatur zur Messung der hydraulischen Leitfähigkeit
Mit freundlicher Genehmigung von Nicola Graf
Materialien
Gesamtaufbau
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
- Unterschiedliche frisch abgeschnittene Zweige von Bäumen oder Sträuchern, mit Blättern oder Seitenästen, bis zu 2 m Länge. Wenn das Experiment nicht innerhalb weniger Stunden nach dem Abschneiden der Zweige durchgeführt werden kann, sollte das Pflanzenmaterial in einem Plastiksack gelagert werden, um starke Austrocknung zu verhindern.
- Gummi- oder Silikonschlauch
- Kabelbinder oder Schlauchschellen
- Scharfe Rebschere, Küchenschere oder großes Skalpell
- Schneidbrett
- große Schale mit Wasser
- Maßband
- Vorratsbehälter mit entgastem destilliertem Wasser mit einem Hahn am Boden. Das Wasser durch Kochen oder mit Hilfe einer Vakuumpumpe ungefähr 1 Stunde lang entgasen bis die gesamte Luft aus dem Wasser entfernt ist. Luftblasen in nicht entgastem Wasser könnten die Xylemgefäße blockieren.
- Salzsäure
- 1 cm3 Pipette (eine um 90o gebogene Pipette eignet sich am besten. Eine normale Glaspipette kann in sehr heißer Flamme gebogen werden.
- 50 cm3 lastikbecherglas
- Stativ mit Klemmen
- Waage (Genauigkeit von mindestens 0,01 g)
- Handstoppuhr oder Armbanduhr mit Stoppfunktion
Abschneiden des dickeren
Astendes unter Wasser
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
Arbeitsanleitung
1. Aufbau der Apparatur wie in der Abbildung gezeigt:
a Zum entgasten Wasser Salzsäure bis zu einer Endkonzentration von 0,01 mol/L zugeben, z.B. 0,5 cm3 der 0,1 mol/L HCl zu 5 dm3 entgastem destillierten Wasser. Die Salzsäure verhindert den langsamen Abfall der Leitfähigkeit durch Hemmung des mikrobiellen Wachstums im Xylem.
Sicherheitshinweis
Wichtig ist, immer die Säure in das Wasser zu geben, und nicht umgekehrt.
Abschneiden des Astendes
unter Wasser
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
b Den Vorratstank mit angesäuertem Waser auffüllen. Ein Stück zugestoppelten Schlauch mit einem Ende oben in den Behälter einführen. Der offene Schlauch ermöglicht eine konstante Druckhöhe, weil die effektive Höhe im Behälter gleich bleibt, auch wenn der Wasserspiegel fällt.
c An den Auslass des Behälters ein Stück Schlauch aufstecken, mit Wasser aus dem Tank befüllen und in eine große Wasserschale legen.
d den Hahn schließen
e Das dickere Ende eines Astes in die große Wasserschale stellen. Das ist jenes Astende, das dem Stamms näher war.
f Etwa 3 cm des untergetauchten Astendes unter Wasser abschneiden, um zu verhindern, dass Luftpolster im Xylem verbleiben. Das andere Ende des Asts mit einer scharfen Klinge nachschneiden.
g Das frisch abgeschnittene Astende mit dem wassergefüllten Schlauch, der mit dem Vorratsgefäß verbunden ist, unter Wasser verbinden. Wenn die Rinde sehr rau ist, kann sie vor der Verbindung entfernt werden. Wenn nötig, sollte mit einer Kabelbinder oder Schlauchschelle eine wasserdichte Verbindung hergestellt werden. Wichtig ist dabei ist, dass Kabelbinder bzw. Schlauchschelle nicht zu fest angezogen werden und die Xylemgefäße abgeklemmt werden.
Verbindung des Schlauchs
unter Wasser
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
h Das andere Ende des Asts in die Wanne eintauchen
i Etwa 3 cm des untergetauchten Astendes unter Wasser abschneiden, um zu verhindern, dass Luftpolster im Xylem verbleiben. Das Ende des Asts mit einer scharfen Klinge nachschneiden.
j Länge des Asts abmessen und notieren. Wichtig ist, dass der Ast länger als die maximale Xylemlänge ist (siehe vorangegangenes Experiment).
k Die gebogene Pipette mit einem weiterem Stück Gummischlauch verbinden und in das Becherglas mit Wasser tauchen.
l Das neu abgeschnittene Astende mit dem mit der Pipette verbundenen wassergefüllten Schlauch wie oben verbinden.
Verbindung des Asts mit
dem Schlauch
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
m Das 50 cm3 Becherglas mit Wasser füllen und auf die Waage stellen.
n Mit dem Astende verbundene Pipette mit verschlossenem Ende aus der Schale nehmen.
o Das Ende der Pipette in das auf der Waage stehende 50 cm3 Becherglas stecken.
p Die Pipette mit der Klemme auf dem Stativ fixieren. Die Pipettenspitze sollte den Boden des Becherglases nicht berühren, sich aber unter der Wasseroberfläche befinden. Dadurch ist garantiert, dass das Wasser durch den Zweig tröpfelt und sich die Masse des Becherglases geringfügig erhöht.
2. Hahn des Vorratsbehälters öffnen.
3. Masse des Wassers 3 min lang alle 30 s ermitteln.
4. Abmessen der effektiven Höhe des Vorratsbehälters mit einem Lineal. Dazu die Differenz zwischen dem offenen Schlauch im Reservoir bis zum unteren Ende des Asts messen.
Sicherheitshinweise
Die Schüler/innen sollten auf die Gefahren bei der Nutzung scharfer Gegenstände hingewiesen werden. Lesen Sie auch die allgemeinen Sicherheitshinweise.
Messung der Wassermenge
auf der Waage
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
Auswertung
Die hydraulische Leitfähigkeit ist die Masse des Wassers, das durch das System fließt, bezogen auf die Zeiteinheit und die Druckdifferenz (Tyree & Ewers, 1991). Die hydraulische Leitfähigkeit des Asts, kh, wird mit folgender Formel errechnet:
kh = (Flussrate x Astlänge)/Höhe es hydrostatischen Drucks
Die Flussrate wird in kg/s gemessen; die Astlänge in Metern (m); der Druck in Megapascal (MPa). Um die Flussrate zu kalkulieren, Diagramm erstellen, bei dem die Masse des Wassers (in kg) gegen die Zeit (s) aufgetragen wird. Die Flussrate ist der Anstieg der am besten passenden Linie (in kg/s). Tabelle 2 und Abbildung 1 zeigen ein Beispiel.
Messung des Wasserstands
im Vorratstank
Mit freundlicher Genehmigung
von Clare van der Willigen
Der Höhe des hydrostatischen Druck kann aus der Multiplikation der effektiven Höhe im Vorratstank, die in Schritt 4 ermittelt worden ist, mit der Dichte der Flüssigkeit und der Beschleunigung durch die Gravitation errechnet werden. Für die Dichte des angesäuerten Wassers kann der ungefähre Wert 1000 kg/m3(bei Raumtemperatur), für die Beschleunigung durch die Gravitation der Wert 9,81 m/s2eingesetzt werden. Daraus ergibt sich für eine effektive Höhe des Vorratstanks von 1 m ein hydrostatischer Druck von 1000 x 9,81 x 1 = 9810 Pa or 0,00981 MPa.
Zur Erinnerung: die maximale hydraulische Leitfähigkeit kann nur erreicht werden, wenn die Xylemgefäße keine Luftblasen enthalten (Embolie). Um das zu verhindern, können die Äste 20 min lang mit unter Druck stehendem Wasser (etwa 200 kPa) gespült werden, bevor die Leitfähigkeit gemessen wird. Alternativ kann darauf geachtet werden, dass die Äste von saftigen Bäumen stammen und die Blätter vor der Messung mit einem großen Plastiksack umhüllt werden.
Tabelle 2. Tabelle der Rohdaten zur Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit eines Seitenasts des echten Lorbeers (Laurus nobilis)
Zeit |
Masse des Wassers (g) |
Masse des Wassers (kg) |
Astlänge (m) |
Effektive Höhe des Vorratsgefäßes (m) |
0 |
0,00 |
0,00000 |
0,32 |
1,5 |
30 |
0,09 |
0,00009 |
0,32 |
1,5 |
60 |
0,21 |
0,00021 |
0,32 |
1,5 |
90 |
0,28 |
0,00028 |
0,32 |
1,5 |
120 |
0,38 |
0,00038 |
0,32 |
1,5 |
150 |
0,49 |
0,00049 |
0,32 |
1,5 |
180 |
0,55 |
0,00055 |
0,32 |
1,5 |
Abbildung 1. Zur
Vergrößerung anklicken.
Beispiel für die Ermittlung
der Flussrate. Daten aus
Tabelle 2.
Zur Erinnerung: die maximale hydraulische Leitfähigkeit kann nicht erreicht werden, wenn die Xylemgefäße Luftblasen enthalten (Embolie). Um das zu verhindern, können die Äste 20 min lang mit Wasser unter Druck (etwa) 200 kPa gespült werden, bevor die Leitfähigkeit gemessen wird. Alternativ kann darauf geachtet werden, dass die Äste von saftigen Bäumen stammen und die Blätter vor der Messung von einem Plastiksack umhüllt sind.
Tabelle 3. Ergebnisse des Beispiels eines Seitenasts des Lorbeerbaums (Laurus nobilis)
Flussrate (kg/s) siehe Abbildung 1 |
Astlänge (m) |
Höhe des hydrostatischen Drucks (MPa) |
Hydraulische Leitfähigkeit kh
(kg m/MPa s) |
3 x 10-6 |
0,32 |
0,0147 |
6,53 x 10-5 |