土壤空气

影 响土壤空气和大气不断相互交换的因素如下 :

(l) 气象条件: 包 括大气 和土 壤温度 的 变化、空 气压力变化、 降雨和风 力的作用等。

(2) 土壤物理及化学性质 : 包括土壤的通气性、空气 容量、 土壤质地、 结构和 水分 状况、 有机质的含量以及养分分布状况等。

(3) 土缓生物及生物化学作用: 包括土壤微生物区系和动物 区系及其活动能 力以及植物根系呼吸作用等。

(4)人类生产活动: 包括耕作、 施肥、 灌溉、排水等制度以及其他 农业技米措施等。

上述 四类因素彼此间的关系是十分密切而不可分割的。 事实上, 对于土壤室气与大气的交换过程的影响是上 述因素综合起作用的结果。 但是, 每 一因素省有其特点, 有时甚至是起主导作 用的, 而土壤室气交换的方式却只能是通过气体扩散作用来实现。

土壤室气运动的理论是建立在气体分子运动学 说的基础上 的。 根据气体分子运动学 说, 所有气 体分子是 向所有方向永恒运动。 组成气体的各个成分的运动 强度是 由该种气体2戎分在气体组成中的浓度 (或称分压)所决定, 这就是气体的扩散作 用。 土攘室气 中CO₂的含量比大气 中多, 而O₂相 反。 因此, 就必 然以扩散的方式使土壤室气与大气进行着不 断的交换。

土壤孔隙中的气体称为土壤空气。土壤空气基本上是由大气而来，但也有少部分产生于土壤中生物化学过程。土壤空气是土壤重要组成成分之一，对于植物生长和土壤形成有重大意义。

土壤空气存在的状态

土壤空气按其物理状态可分为 自由态、 吸附态和溶解态三种。

自由态空气存在于土壤孔隙中, 其容量主要决定于土粒的排列状况及水分的含量。土粒排列的疏松或 紧密决 定着孔隙的容积。 疏松排列的孔隙容积 占 4 7.6 4 %, 而 紧密排列的仅有 2 5.95 %。这是一 个理论计算值, 而在土壤中则有很大的变异。通常是按土壤总孔隙度P=（1- 容量/比重）*100%和水分所占孔隙之差来确定空气的容量。这部分空气一般具有最大 的易动性和有效性, 而且随着孔径的减小而逐渐减弱。

吸附态空气主要是指士壤颗粒表面吸附的空气。 早在 1 5 5 6一1 5 5 7 年研究者就指出吸附在土壤颗粒表面的气体是难于和土粒分 开 的。

溶解态空气是指溶于土攘溶液 中(或水中)的气体。气体在水中的溶解度是随着气体分压的增加和温度的降低而增高。土壤溶液中的气体会改变溶液的性质, 如CO₂增加 则促使土集中碳酸盐、磷酸盐等盐类溶解度的高。0₂ 、H₂、 N₂、H₂S、等气 体对土壤溶液的 氧化还原 过程 有着亘大的影响。

对上述三种状态的室气的研究, 以 自由态室气为多, 这可能是因为它在土壤和植物生命过程中起着比较重要的作 用。 其次, 溶 解态室气在沼泽土、 水稻土以及地下水位较高的土壤中的变化常引起 人们的注意。

土壤空气士壤室气容量

这方面的工作多偏重于说明土攘的某一性质 (如土壤的结构性)或值接对植物生长发育的影响。

影响土壤室气容量的土壤因素主耍是上壤的质地和结构性。 砂质土壤、 结构性良好的土壤和腐殖质土壤中皆含有比较多的空气, 而土攘团粒的大小是决定土 壤室气 容量 的重要因子。

土壤空气组成

土壤室气组成和大气组成相近, 但在数量上却有显著的不同。 其中氮气的容积百分比最高, 在一般 条件下它是不溶于水的,所以它在土攘 中的变化是极其微小的。 其次是氧气, 它的变化很大, 一般皆低于大气中的 含量, 但是土缓空气 中的CO₂含量却比大气 中高得多。

基本规律：

(l) 土壤室气 中CO₂的含量 比O₂大气 中多, 而O₂ 则相 反, 其变化也较大气中大。

(2)表层(Al 层或耕作层)土壤空气与大气 中的组成 极为相近, 随着深度的加深差异愈来愈大。

(3)CO₂ 和O₂含量 的变化 成反相关, 二者之和稍低于大气 中的含量。

(4 )CO₂含量的变化随着植物的生长 发育而逐 渐增高, 发育最盛期达 到最 高(禾本科植物是拔节期, 豆科植物是始花期 ), 以 后随着植物的成熟而逐渐下降到最低值,O₂ 则相 反。

(5)CO₂含量的变化随着温度的升高而增加, 一般在夏季(7一8 月)达到最高, 冬季最低, O₂则相 反。 但是, 也有人得到与此 相反的结论, 其原因是由于土攘空气受到地表结冰层的影响, 扩散速度降到最小, 阻隔 了土攘空气和大气的交换哪〕。 因此, 各类土攘所处的具体条件不同, 也是 影响土攘空气季节性变化的重要 因 素。

(6)土壤室气组成的变化与土壤 中生物活性 的 强弱密切相 关, 植物根系和微生物的活动有利于增加土壤空气 中CO₂的含量。

土壤室气对成土过程、 对士攘氧化还原过程、 在土壤结构形成中的作用、 对养分转化以及对植物种子发芽和植株生长发育等方面均有影响。

对成土过程的影响

土壤室气对土壤的化学及生物 过程的影 响较大, 因此, 土壤空气在成土过程中起着重要的作用。 室气溶于水, 由于氧的作用可以氧化某些矿物, 例如硫铁矿在氧的作用下可以变成溶解态的硫酸铁。这一过程不仅可以增加易溶性的铁盐, 而且还可以氧化低铁化合物以减少对植物的危害。

对氧化还原过程及养分转化的影响

土缓室气在调节土壤的氧化还原条件上 具有重要的作用。 当土壤水分 趁多时, 土壤空气 的含量 明显下降, 气体扩散作用大大减弱, 土壤可以在不长 的时期 由原来以氧化过程为主而转向以还原过程为主的状况。

一般认为, 土壤处于室气 充足、 扩散作用较强的条件下, 有机化合物分解的最终产物为二氧化碳、 水、 稍酸、 硫酸、 磷 酸等盐类以 及钙、镁、 钾、 铁等化合物。 这些都是可以供给植物生长发育 的营养物质。 但是, 在涌气不良、扩散作用很弱的土攘中, 有机物质分解 的最终产物有各种还 原性化合物和有害于植物的气体, 如 甲烷、 硫化氢、 氨、 醛类以及低价铁和锰。 这些产物在不 同程度上皆有害于植物和土壤生物 的正常活动。

土壤中氮素化合物 的分解和转化与外界条件的关系十分密切, 而土壤空气状况只是一个方面。土壤中氨化作用可以在土壤通气的任何条件下进行, 但稍化作用井非如此, 而是需要足够空气 (氧)的供应。

对土壤结构形成的影响

土壤空气 状况对土壤肥力重要因素之一的团粒结构形成 问题的研究, 在农业生产上是很有意义的。为了恢复和提高土缓肥力, 种植多年生 牧草是很有成效 的农业措施, 因为种植多年生牧草在土壤团粒结构形成上 起着宜大的作用。

对植物生长发育的影响

土壤通气性与植物生长发育的关系是在研究植物呼吸作用社程中逐渐明确起来的。 许 多工作证 明植物根系 (包括块茎植物) 和地上部器官的形成皆耍求有足够的氧气供应, 如缺氧则生长受到抑制或停止。 但是,各类植物对土攘通气性的要求是不相 同的, 如水生植物对氧气的需耍就比较弱。CO₂和O₂的浓度 只在一定范围内对植物生长是相 互 起 作 用的。 但从田 间实 际清况 出发, CO_2浓度过 高的土壤是 极其有限的, 因此CO₂和O₂比较 起来其意义是 十分有限的。 同时, 仅仅考虑到浓 度还不够, 而它在土攘 中的扩散往往比起它的绝对侬 度更加重要,这已 为许多学者所公认。

土壤空气的组成与大气相似，但有差别。

（1）土壤空气中的二氧化碳含量高于大气；

（2）土壤空气中的氧气含量低于大气；

（3）土壤空气中的相对湿度高；

（4）土壤空气中的含有较高的还原性气体（甲烷CH₄、硫化氢H₂S等）；

（5）土壤空气的组成和数量处于变化中。

土壤空气与大气组成的比较（容积%）

土壤空气运动是指与土壤空气循环过程相关的所有过程的总称。维持良好的土壤通气状况是旱地作物正常生长的基本条件，土壤需要不断补充作物所消耗的氧气，以及排出因生物作用所释放的二氧化碳。土壤空气的交换主要依靠土壤中互相连接的充气孔隙。

如果土壤孔隙体系受阻，土壤空气运动将受到影响。同其他物质运动一样，土壤空气运动符合质量守恒定律。土壤空气运动过程包括两种，即对流和扩散。土壤气体对流作用与温度、气压差以及土壤充气孔隙状况密切相关。土壤气体运动的主要机理是扩散作用。土壤中气体可以以气态形式扩散，也可以液态形式扩散，无论哪种形式，空气扩散通量都可以用菲克定律描述。2100433B

存在于土壤颗粒表面、未被水分占据的孔隙中和溶于土壤水中（溶液中）的空气。土壤空气的数量、组成和更新状况对植物生长，特别是对根系的发育和生长影响极大；土壤的生物学过程、化学过程和养分的有效性也与土壤空气有关。

土壤通气状况常根据土壤的空气含量、通气孔隙、通气量、氧化还原电位、气体扩散系数，土壤空气中氧的含量、氧扩散率、二氧化碳分压，呼吸系数，还原性物质总量或土壤的颜色和气味等加以判断。

来源与存在状态

土壤空气主要来源于近地表的大气。但也有部分是土壤呼吸过程和有机质分解过程的产物。根据空气在土壤中存在的状态分为自由态（即游离态）,吸附态和溶解态3种。自由态空气指存在于土壤中未被水分占据的孔隙中的气体，其容量主要取决于土壤颗粒的排列状况和水分的含量；吸附态空气指吸附，土壤颗粒表面的气体，其容量决定于土壤颗粒的比表面积和气体分子结构的偶极矩；溶解态空气指溶解于土壤水（或溶液）中的气体，其容量受气体分压、温度和气体成分的溶解度决定。 3种状态中以自由态空气最为活跃，其次是溶解态。

组成

土壤空气的组成大体上与大气组成相近似。早在1852年，法国学者J.B.布森戈就首先确定了土壤空气组成的容积百分含量:氮为78.80～80.24%;氧为10.35～20.03%；二氧化碳为0.74～9.74%。与大气相比,其氧含量较低,而氮和二氧化碳含量较高。渍水土壤的空气中还含有一定数量的还原性气体如甲烷、硫化氢和氢，有时还有磷化氢、二硫化碳、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷等。但土壤空气的组成常随季节、昼夜、土壤深度、土壤水分、作物种类和生长期的不同而变化。

更新

土壤空气的更新主要是靠土壤空气与大气间的相互交换，包括气体质流和气体扩散。前者服从于达西定律，后者服从于费克定律。影响土壤中气体质流的因素包括气象因子（温度、气压、风和降水等）、土壤因子(结构性、水分含量和通气孔隙等)、生物因子（动植物和微生物的活动等）和人类生产活动因子（耕作、施肥和排灌等）。1904年E.白金汉提出土壤气体扩散常数D与土壤自由孔隙度S的平方成正比:D=KS。式中比例常数 K为扩散系数。1940年H.L.彭曼提出土壤气体扩散的基本方程:。式中D为土壤气体的扩散系数；D0为气体在大气中的扩散系数；S为孔隙度；L为气体通过的直线距离；Le为气体通过的实际距离；用相对扩散系数作为气体扩散的指标。近期的研究多围绕土粒的粗细、形状以及孔隙的大小、形状和质量等因素对彭曼方程提出种种修改。

调节

土壤空气的含量主要取决于土壤的通气性，而土壤通气性则受土壤中孔隙的多少和大小比例决定。通常合理耕作，轮作和灌水、排水等措施可以达到调节土壤空气含量和组成的目的。

土壤之所以能透气，除了首先具备空气通过的孔道外，主要就决定土壤空气的组成和大气中各组成之间的分压差，以及大气和土壤空气的总压力差，前者属于气体的扩散，后者属于气体的整体交流 。

土壤透气性扩散

当土壤空气的组成成分在浓度上和大气的组成成分发生差异时，就形成了空气成分间分压的差异。为了保持气压之间的平衡，分压大的气体就向分压小的气体扩散，这就形成了土壤空气和大气之间的交换。土壤中由于作物根系和微生物生命活动，有机质的分解，根系的呼吸作用都要消耗氧气而释放二氧化碳，这就改变了土壤中空气中O₂和CO₂的浓度。

微生物在分解有机质中，通过有机质的氧化获得碳源和能量，在消耗O₂的同时产生CO₂，土壤微生物在生命活动过程中产生大量CO₂，每升空气中可积累0.9mg的CO₂，这就造成了大气中O₂分压超过了土壤中O₂的分压，而土壤中CO₂分压大于大气的CO₂分压，于是土壤中的CO₂向大气扩散，而大气的O₂向土壤空气中扩散。

土壤中的碳酸盐在酸的作用下，或重碳酸盐在温度升高时均可产生CO₂，也是影响CO₂分压变化的因素。

气体的扩散率，即单位时期的扩散量以dQ/dt表示，和该气体的分压梯度dp/dx、扩散通道的面积A 呈正比。

dQ/dt=DA（dp/dx）

D为该气体在土中的扩散系数(单位时间通过单位面积的气体量)。

土壤透气性气体的总体交换

当土壤中空气受到大气影响时，如大气温度上升和下降，风力增强和减弱，大气压升高和降低，还包括降水以及人为的灌溉排水都会引起土壤空气与大气的交换。当大气温度上升，大气密度降低，气压下降，而土壤空气中的压力高于大气的压力时，土壤空气就向大气流动。晚间大气温度下降，大气又流进土壤，形成大气与土壤空气相互交流的情况。土壤本身温度的变化也会引起气体的热胀冷缩，而使土壤空气向外排出或大气向土壤中渗入。

土壤空气由于扩散和整体交换，土壤中经常保持一定数量和比值的氧，使土壤中微生物和根系周围保持适宜的空气组成，使土壤中的一切生物化学和化学过程得以保持正常进行。土壤排出CO₂，吸入O₂，这就使土壤空气得以不断更新，故又称为土壤的呼吸过程。土壤的呼吸过程强度是土壤通气性的一个重要指标，也是衡量土壤中生物活动强度的指标。

土壤中呼吸强度可用下述方法进行测定：

用玻璃罩盖上一定面积的土壤，罩内放一个培养皿，盛入一定浓度和量的碱液(NaOH或Ba(OH)₂)，以吸收土壤中释放出的CO₂，经过一定时间测定剩余的碱量，即可测出单位时间单位面积的CO₂释放量。