土壤空氣擴散作用

土壤室氣運動的理論是建立在氣體分子運動學(xué) 說的基礎(chǔ)上 的。 根據(jù)氣體分子運動學(xué) 說, 所有氣 體分子是 向所有方向永恒運動。 組成氣體的各個成分的運動 強度是 由該種氣體2戎分在氣體組成中的濃度 (或稱分壓)所決定, 這就是氣體的擴散作 用。 土攘室氣 中CO₂的含量比大氣 中多, 而O₂相 反。 因此, 就必 然以擴散的方式使土壤室氣與大氣進行著不 斷的交換。

影 響土壤空氣和大氣不斷相互交換的因素如下 :

(l) 氣象條件: 包 括大氣 和土 壤溫度 的 變化、空 氣壓力變化、 降雨和風(fēng) 力的作用等。

(2) 土壤物理及化學(xué)性質(zhì) : 包括土壤的通氣性、空氣 容量、 土壤質(zhì)地、 結(jié)構(gòu)和 水分 狀況、 有機質(zhì)的含量以及養(yǎng)分分布狀況等。

(3) 土緩生物及生物化學(xué)作用: 包括土壤微生物區(qū)系和動物 區(qū)系及其活動能 力以及植物根系呼吸作用等。

(4)人類生產(chǎn)活動: 包括耕作、 施肥、 灌溉、排水等制度以及其他 農(nóng)業(yè)技米措施等。

上述 四類因素彼此間的關(guān)系是十分密切而不可分割的。 事實上, 對于土壤室氣與大氣的交換過程的影響是上 述因素綜合起作用的結(jié)果。 但是, 每 一因素省有其特點, 有時甚至是起主導(dǎo)作 用的, 而土壤室氣交換的方式卻只能是通過氣體擴散作用來實現(xiàn)。

土壤空氣存在的狀態(tài)

土壤空氣按其物理狀態(tài)可分為 自由態(tài)、 吸附態(tài)和溶解態(tài)三種。

自由態(tài)空氣存在于土壤孔隙中, 其容量主要決定于土粒的排列狀況及水分的含量。土粒排列的疏松或 緊密決 定著孔隙的容積。 疏松排列的孔隙容積 占 4 7.6 4 %, 而 緊密排列的僅有 2 5.95 %。這是一 個理論計算值, 而在土壤中則有很大的變異。通常是按土壤總孔隙度P=（1- 容量/比重）*100%和水分所占孔隙之差來確定空氣的容量。這部分空氣一般具有最大 的易動性和有效性, 而且隨著孔徑的減小而逐漸減弱。

吸附態(tài)空氣主要是指士壤顆粒表面吸附的空氣。 早在 1 5 5 6一1 5 5 7 年研究者就指出吸附在土壤顆粒表面的氣體是難于和土粒分 開 的。

溶解態(tài)空氣是指溶于土攘溶液 中(或水中)的氣體。氣體在水中的溶解度是隨著氣體分壓的增加和溫度的降低而增高。土壤溶液中的氣體會改變?nèi)芤旱男再|(zhì), 如CO₂增加 則促使土集中碳酸鹽、磷酸鹽等鹽類溶解度的高。0₂ 、H₂、 N₂、H₂S、等氣 體對土壤溶液的 氧化還原 過程 有著亙大的影響。

對上述三種狀態(tài)的室氣的研究, 以 自由態(tài)室氣為多, 這可能是因為它在土壤和植物生命過程中起著比較重要的作 用。 其次, 溶 解態(tài)室氣在沼澤土、 水稻土以及地下水位較高的土壤中的變化常引起 人們的注意。

土壤空氣士壤室氣容量

這方面的工作多偏重于說明土攘的某一性質(zhì) (如土壤的結(jié)構(gòu)性)或值接對植物生長發(fā)育的影響。

影響土壤室氣容量的土壤因素主耍是上壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)性。 砂質(zhì)土壤、 結(jié)構(gòu)性良好的土壤和腐殖質(zhì)土壤中皆含有比較多的空氣, 而土攘團粒的大小是決定土 壤室氣 容量 的重要因子。

土壤空氣組成

土壤室氣組成和大氣組成相近, 但在數(shù)量上卻有顯著的不同。 其中氮氣的容積百分比最高, 在一般 條件下它是不溶于水的,所以它在土攘 中的變化是極其微小的。 其次是氧氣, 它的變化很大, 一般皆低于大氣中的 含量, 但是土緩空氣 中的CO₂含量卻比大氣 中高得多。

基本規(guī)律：

(l) 土壤室氣 中CO₂的含量 比O₂大氣 中多, 而O₂ 則相 反, 其變化也較大氣中大。

(2)表層(Al 層或耕作層)土壤空氣與大氣 中的組成 極為相近, 隨著深度的加深差異愈來愈大。

(3)CO₂ 和O₂含量 的變化 成反相關(guān), 二者之和稍低于大氣 中的含量。

(4 )CO₂含量的變化隨著植物的生長 發(fā)育而逐 漸增高, 發(fā)育最盛期達 到最 高(禾本科植物是拔節(jié)期, 豆科植物是始花期 ), 以 后隨著植物的成熟而逐漸下降到最低值,O₂ 則相 反。

(5)CO₂含量的變化隨著溫度的升高而增加, 一般在夏季(7一8 月)達到最高, 冬季最低, O₂則相 反。 但是, 也有人得到與此 相反的結(jié)論, 其原因是由于土攘空氣受到地表結(jié)冰層的影響, 擴散速度降到最小, 阻隔 了土攘空氣和大氣的交換哪〕。 因此, 各類土攘所處的具體條件不同, 也是 影響土攘空氣季節(jié)性變化的重要 因 素。

(6)土壤室氣組成的變化與土壤 中生物活性 的 強弱密切相 關(guān), 植物根系和微生物的活動有利于增加土壤空氣 中CO₂的含量。

土壤孔隙中的氣體稱為土壤空氣。土壤空氣基本上是由大氣而來，但也有少部分產(chǎn)生于土壤中生物化學(xué)過程。土壤空氣是土壤重要組成成分之一，對于植物生長和土壤形成有重大意義。

土壤室氣對成土過程、 對士攘氧化還原過程、 在土壤結(jié)構(gòu)形成中的作用、 對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及對植物種子發(fā)芽和植株生長發(fā)育等方面均有影響。

對成土過程的影響

土壤室氣對土壤的化學(xué)及生物 過程的影 響較大, 因此, 土壤空氣在成土過程中起著重要的作用。 室氣溶于水, 由于氧的作用可以氧化某些礦物, 例如硫鐵礦在氧的作用下可以變成溶解態(tài)的硫酸鐵。這一過程不僅可以增加易溶性的鐵鹽, 而且還可以氧化低鐵化合物以減少對植物的危害。

對氧化還原過程及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響

土緩室氣在調(diào)節(jié)土壤的氧化還原條件上 具有重要的作用。 當土壤水分 趁多時, 土壤空氣 的含量 明顯下降, 氣體擴散作用大大減弱, 土壤可以在不長 的時期 由原來以氧化過程為主而轉(zhuǎn)向以還原過程為主的狀況。

一般認為, 土壤處于室氣 充足、 擴散作用較強的條件下, 有機化合物分解的最終產(chǎn)物為二氧化碳、 水、 稍酸、 硫酸、 磷 酸等鹽類以 及鈣、鎂、 鉀、 鐵等化合物。 這些都是可以供給植物生長發(fā)育 的營養(yǎng)物質(zhì)。 但是, 在涌氣不良、擴散作用很弱的土攘中, 有機物質(zhì)分解 的最終產(chǎn)物有各種還 原性化合物和有害于植物的氣體, 如 甲烷、 硫化氫、 氨、 醛類以及低價鐵和錳。 這些產(chǎn)物在不 同程度上皆有害于植物和土壤生物 的正?；顒?。

土壤中氮素化合物 的分解和轉(zhuǎn)化與外界條件的關(guān)系十分密切, 而土壤空氣狀況只是一個方面。土壤中氨化作用可以在土壤通氣的任何條件下進行, 但稍化作用井非如此, 而是需要足夠空氣 (氧)的供應(yīng)。

對土壤結(jié)構(gòu)形成的影響

土壤空氣 狀況對土壤肥力重要因素之一的團粒結(jié)構(gòu)形成 問題的研究, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是很有意義的。為了恢復(fù)和提高土緩肥力, 種植多年生 牧草是很有成效 的農(nóng)業(yè)措施, 因為種植多年生牧草在土壤團粒結(jié)構(gòu)形成上 起著宜大的作用。

對植物生長發(fā)育的影響

土壤通氣性與植物生長發(fā)育的關(guān)系是在研究植物呼吸作用社程中逐漸明確起來的。 許 多工作證 明植物根系 (包括塊莖植物) 和地上部器官的形成皆耍求有足夠的氧氣供應(yīng), 如缺氧則生長受到抑制或停止。 但是,各類植物對土攘通氣性的要求是不相 同的, 如水生植物對氧氣的需耍就比較弱。CO₂和O₂的濃度 只在一定范圍內(nèi)對植物生長是相 互 起 作 用的。 但從田 間實 際清況 出發(fā), CO_2濃度過 高的土壤是 極其有限的, 因此CO₂和O₂比較 起來其意義是 十分有限的。 同時, 僅僅考慮到濃 度還不夠, 而它在土攘 中的擴散往往比起它的絕對儂 度更加重要,這已 為許多學(xué)者所公認。

土壤空氣的組成與大氣相似，但有差別。

（1）土壤空氣中的二氧化碳含量高于大氣；

（2）土壤空氣中的氧氣含量低于大氣；

（3）土壤空氣中的相對濕度高；

（4）土壤空氣中的含有較高的還原性氣體（甲烷CH₄、硫化氫H₂S等）；

（5）土壤空氣的組成和數(shù)量處于變化中。

土壤空氣與大氣組成的比較（容積%）

土壤空氣運動是指與土壤空氣循環(huán)過程相關(guān)的所有過程的總稱。維持良好的土壤通氣狀況是旱地作物正常生長的基本條件，土壤需要不斷補充作物所消耗的氧氣，以及排出因生物作用所釋放的二氧化碳。土壤空氣的交換主要依靠土壤中互相連接的充氣孔隙。

如果土壤孔隙體系受阻，土壤空氣運動將受到影響。同其他物質(zhì)運動一樣，土壤空氣運動符合質(zhì)量守恒定律。土壤空氣運動過程包括兩種，即對流和擴散。土壤氣體對流作用與溫度、氣壓差以及土壤充氣孔隙狀況密切相關(guān)。土壤氣體運動的主要機理是擴散作用。土壤中氣體可以以氣態(tài)形式擴散，也可以液態(tài)形式擴散，無論哪種形式，空氣擴散通量都可以用菲克定律描述。2100433B

存在于土壤顆粒表面、未被水分占據(jù)的孔隙中和溶于土壤水中（溶液中）的空氣。土壤空氣的數(shù)量、組成和更新狀況對植物生長，特別是對根系的發(fā)育和生長影響極大；土壤的生物學(xué)過程、化學(xué)過程和養(yǎng)分的有效性也與土壤空氣有關(guān)。

土壤通氣狀況常根據(jù)土壤的空氣含量、通氣孔隙、通氣量、氧化還原電位、氣體擴散系數(shù)，土壤空氣中氧的含量、氧擴散率、二氧化碳分壓，呼吸系數(shù)，還原性物質(zhì)總量或土壤的顏色和氣味等加以判斷。

來源與存在狀態(tài)

土壤空氣主要來源于近地表的大氣。但也有部分是土壤呼吸過程和有機質(zhì)分解過程的產(chǎn)物。根據(jù)空氣在土壤中存在的狀態(tài)分為自由態(tài)（即游離態(tài)）,吸附態(tài)和溶解態(tài)3種。自由態(tài)空氣指存在于土壤中未被水分占據(jù)的孔隙中的氣體，其容量主要取決于土壤顆粒的排列狀況和水分的含量；吸附態(tài)空氣指吸附，土壤顆粒表面的氣體，其容量決定于土壤顆粒的比表面積和氣體分子結(jié)構(gòu)的偶極矩；溶解態(tài)空氣指溶解于土壤水（或溶液）中的氣體，其容量受氣體分壓、溫度和氣體成分的溶解度決定。 3種狀態(tài)中以自由態(tài)空氣最為活躍，其次是溶解態(tài)。

組成

土壤空氣的組成大體上與大氣組成相近似。早在1852年，法國學(xué)者J.B.布森戈就首先確定了土壤空氣組成的容積百分含量:氮為78.80～80.24%;氧為10.35～20.03%；二氧化碳為0.74～9.74%。與大氣相比,其氧含量較低,而氮和二氧化碳含量較高。漬水土壤的空氣中還含有一定數(shù)量的還原性氣體如甲烷、硫化氫和氫，有時還有磷化氫、二硫化碳、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷等。但土壤空氣的組成常隨季節(jié)、晝夜、土壤深度、土壤水分、作物種類和生長期的不同而變化。

更新

土壤空氣的更新主要是靠土壤空氣與大氣間的相互交換，包括氣體質(zhì)流和氣體擴散。前者服從于達西定律，后者服從于費克定律。影響土壤中氣體質(zhì)流的因素包括氣象因子（溫度、氣壓、風(fēng)和降水等）、土壤因子(結(jié)構(gòu)性、水分含量和通氣孔隙等)、生物因子（動植物和微生物的活動等）和人類生產(chǎn)活動因子（耕作、施肥和排灌等）。1904年E.白金漢提出土壤氣體擴散常數(shù)D與土壤自由孔隙度S的平方成正比:D=KS。式中比例常數(shù) K為擴散系數(shù)。1940年H.L.彭曼提出土壤氣體擴散的基本方程:。式中D為土壤氣體的擴散系數(shù)；D0為氣體在大氣中的擴散系數(shù)；S為孔隙度；L為氣體通過的直線距離；Le為氣體通過的實際距離；用相對擴散系數(shù)作為氣體擴散的指標。近期的研究多圍繞土粒的粗細、形狀以及孔隙的大小、形狀和質(zhì)量等因素對彭曼方程提出種種修改。

調(diào)節(jié)

土壤空氣的含量主要取決于土壤的通氣性，而土壤通氣性則受土壤中孔隙的多少和大小比例決定。通常合理耕作，輪作和灌水、排水等措施可以達到調(diào)節(jié)土壤空氣含量和組成的目的。

土壤之所以能透氣，除了首先具備空氣通過的孔道外，主要就決定土壤空氣的組成和大氣中各組成之間的分壓差，以及大氣和土壤空氣的總壓力差，前者屬于氣體的擴散，后者屬于氣體的整體交流 。

土壤透氣性擴散

當土壤空氣的組成成分在濃度上和大氣的組成成分發(fā)生差異時，就形成了空氣成分間分壓的差異。為了保持氣壓之間的平衡，分壓大的氣體就向分壓小的氣體擴散，這就形成了土壤空氣和大氣之間的交換。土壤中由于作物根系和微生物生命活動，有機質(zhì)的分解，根系的呼吸作用都要消耗氧氣而釋放二氧化碳，這就改變了土壤中空氣中O₂和CO₂的濃度。

微生物在分解有機質(zhì)中，通過有機質(zhì)的氧化獲得碳源和能量，在消耗O₂的同時產(chǎn)生CO₂，土壤微生物在生命活動過程中產(chǎn)生大量CO₂，每升空氣中可積累0.9mg的CO₂，這就造成了大氣中O₂分壓超過了土壤中O₂的分壓，而土壤中CO₂分壓大于大氣的CO₂分壓，于是土壤中的CO₂向大氣擴散，而大氣的O₂向土壤空氣中擴散。

土壤中的碳酸鹽在酸的作用下，或重碳酸鹽在溫度升高時均可產(chǎn)生CO₂，也是影響CO₂分壓變化的因素。

氣體的擴散率，即單位時期的擴散量以dQ/dt表示，和該氣體的分壓梯度dp/dx、擴散通道的面積A 呈正比。

dQ/dt=DA（dp/dx）

D為該氣體在土中的擴散系數(shù)(單位時間通過單位面積的氣體量)。

土壤透氣性氣體的總體交換

當土壤中空氣受到大氣影響時，如大氣溫度上升和下降，風(fēng)力增強和減弱，大氣壓升高和降低，還包括降水以及人為的灌溉排水都會引起土壤空氣與大氣的交換。當大氣溫度上升，大氣密度降低，氣壓下降，而土壤空氣中的壓力高于大氣的壓力時，土壤空氣就向大氣流動。晚間大氣溫度下降，大氣又流進土壤，形成大氣與土壤空氣相互交流的情況。土壤本身溫度的變化也會引起氣體的熱脹冷縮，而使土壤空氣向外排出或大氣向土壤中滲入。

土壤空氣由于擴散和整體交換，土壤中經(jīng)常保持一定數(shù)量和比值的氧，使土壤中微生物和根系周圍保持適宜的空氣組成，使土壤中的一切生物化學(xué)和化學(xué)過程得以保持正常進行。土壤排出CO₂，吸入O₂，這就使土壤空氣得以不斷更新，故又稱為土壤的呼吸過程。土壤的呼吸過程強度是土壤通氣性的一個重要指標，也是衡量土壤中生物活動強度的指標。

土壤中呼吸強度可用下述方法進行測定：

用玻璃罩蓋上一定面積的土壤，罩內(nèi)放一個培養(yǎng)皿，盛入一定濃度和量的堿液(NaOH或Ba(OH)₂)，以吸收土壤中釋放出的CO₂，經(jīng)過一定時間測定剩余的堿量，即可測出單位時間單位面積的CO₂釋放量。