10第三节 土壤与环境的空气交换

Diffusion coefficient D
散系数D值的大小取决于土壤性质 值的大小取决于土壤性质， 扩散系数 值的大小取决于土壤性质，通气孔隙状 况及其影响因素(质地 结构、松紧程度、 质地、 况及其影响因素 质地、结构、松紧程度、土壤含水量 等)。 。
D=D0·S·l/le
D0--自由空气中的扩散系数 自由空气中的扩散系数 S--未被水分占据的孔隙度 未被水分占据的孔隙度 l--土层厚度 土层厚度 le--气体分子扩散通过的实际长度 气体分子扩散通过的实际长度 l/le和S的值都小于 1 和 的值都小于
农业措施
三）、土壤通气指标 1、气体扩散系数 2、土壤呼吸商 3、土壤通气量 4、通气孔隙度 5、土壤氧化还原电位
土壤孔隙度Soil
porosity
总孔隙度50～ 总孔隙度 ～55%或60%，其中通气孔度要求 或 ，
8～10%，最好 ～20%。使土壤有一定保水 ～ ，最好15～ 。 又可透水通气。 能力又可透水通气。
二）、影响土壤通气性的因素 1、质地 2、结构 3、土体构型 4、土壤含水量
Influenced factors of soil air movement and exchange
影响土壤空气运动和交换的主要因素 气象因素 土壤因素 气温、气压、 气温、气压、风力和降雨 等 通气孔隙状况及其影响因素 (质 质 结构、松紧程度、 地、结构、松紧程度、土壤含水 量等)。 量等 。 耕作、施肥、 耕作、施肥、灌水等
当m值＜200 mV时，Fe、Mn化合物呈还原 态，土壤溶液中 Fe 2+浓度高，会使水稻田 秧苗中毒。我国南方有些地区，水稻受害 的水溶态 Fe 2+的临界浓度为 50～ 100mg/kg。随着Fe、Mn的还原，土壤颜色 由红棕、黄褐色变为青灰色。当Eh值降为 负值后，某些土壤可能出现H2S，对作物产 生毒害。
三、土壤氧化还原状况
一）、土壤氧化还原体系 土壤中产生氧化还原反应的物质很多，存在着多种氧 化还原体系。主要有： 氧体系 氮体系 铁体系 锰体系 硫体系 氢体系 有机物体系 包括各种有机酸类、酚类、醛类和糖类化 合物。
土壤氧化还原体系的特点 Characteristics of redox systems in soils
五、土壤空气与生态和环境的关系
土壤空气与植物生长 Effect of soil air on plant
growth
土壤空气与根系
若土壤空气中O2的含量小于 ％或10％，根系发育就会 ％，根系发育就会 若土壤空气中 的含量小于9％ ％， 受到影响， 含量低至5％以下时， 受到影响，O2含量低至 ％以下时，绝大多数作物根系停止 发育。 发育。 O2与CO2在土壤空气中互为消长，当CO2含量大于 ％时， 在土壤空气中互为消长， 含量大于1％ 根系发育缓慢， ％，则为致死的含量 根系发育缓慢，至5～20％，则为致死的含量。 ～ ％，则为致死的含量。 土壤空气中还原性气体，也可使根系受害， 土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如H2S使水 使水 稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚至死亡。 稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚至死亡。
对流方向： 对流方向： 高压区
总压力梯度的产生： 总压力梯度的产生： 气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。 气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。 土壤空气对流方程： 土壤空气对流方程：
Qv—空气的容积对流量（单位时间 空气的容积对流量（ 空气的容积对流量 通过单位横截面积的空气容积） 通过单位横截面积的空气容积） “-”—表示方向 表示方向 k—通气孔隙通气率 通气孔隙通气率 Η—土壤空气的粘度 土壤空气的粘度 p—土壤空气压力的三维（向）梯 土壤空气压力的三维（ 土壤空气压力的三维 度
水田大量施用绿肥或有机肥后，在高温淹水 嫌气条件下，使水稻根系变黑，土壤发出 臭味，这主要是由于 Fe2+与 S2-化合生成 FeS沉淀附着在根的表面呈黑色所致。土壤 中的硝化过程及硝酸盐的累积是在Eh值很 高的好气条件下进行的。土壤通气不良， 引起Eh下降和反硝化过程的发展。
影响Eh的因素： 1、土壤通气状况 2、生物过程 3、有机质 4、土壤中氧化剂含量 Eh=-59pH
土壤呼吸强度
Soil respiratory intensity
单位时间通过单位断面的CO2数量土壤呼吸强度不仅作为 单位时间通过单位断面的 土壤通气指标，而且是反映土壤肥力状况的一个综合指标。 土壤通气指标，而且是反映土壤肥力状况的一个综合指标。 土壤透水性Soil filtration 土壤氧化还原电位Soil redox potential
qv=-(k/η)▽p ▽
空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大
Diffusion 扩散
在大气和土壤之间CO2和O2浓度的不同形成分压梯度， 浓度的不同形成分压梯度 分压梯度， 在大气和土壤之间 驱使土壤从大气中吸收O 同时排出CO2的气体扩散作用， 的气体扩散作用， 驱使土壤从大气中吸收 2，同时排出 称为土壤呼吸 是土壤与大气交换的主要机制。 土壤呼吸。 称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主要机制。
结构良好土壤中，气体在团聚体间大孔隙间扩散， 结构良好土壤中，气体在团聚体间大孔隙间扩散，而团聚体内小孔隙 在团聚体间大孔隙间扩散 则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部通气性状。 则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部通气性状。所以紧实 大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧。 大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧。所以通气 良好的旱地也会有厌气性微环境。 良好的旱地也会有厌气性微环境。
Eh变化范围： 1、旱地：400~700mV
<400mV通气不良，缺氧，积累还原物，抑制生长 >700mV有机质矿化速率快，土壤肥力下降
2、水田： 氧化层土壤250~400mV 耕作层 -200mV 100~200mV 氧化层300~400mV
通常把 Eh值 300 mV作为土壤氧化还原状况的 分界线，Eh＞300 mV时土壤呈氧化状态， ＜300mV时的土壤呈还原状态。 Eh值过高或过低都对植物生长不利。 当 Eh＞750 mV时，土壤中好气条件太强，有 机质分解过旺，易造成养分的大量损失。而 Fe、Mn完全以高价化合物的形式存在，溶解 度极小，植物易造成缺Fe而发生“失绿病”， 也会因缺Mn而发生“灰斑”、“白斑”病。
第四节 土壤与环境 的空气交换
一、土壤空气含量和组成
1、含量 容重 孔隙度 田间持水量 空气量 g/cm3 g/g cm3/cm3 cm3/cm3 砂壤土 1.30 0.51 0.28 0.364 0.146 重粘土 1.30 0.51 0.35 0.455 0.055 水多则气少。
Soil air content 土壤空气含量
扩 散 通 量 (qd) 与 其 扩 散 系 数 (D) 和 浓 度 梯 度 (dc/dx)或分压梯度 或分压梯度(dp/dx)成正比。 成正比。 或分压梯度 成正比 浓度梯度是不易控制因素，所以只有调整扩散系 浓度梯度是不易控制因素 ， 所以只有 调整扩散系 来控制气体扩散通量。 数D来控制气体扩散通量。 来控制气体扩散通量
soil air content (v%) = total porosity(%) - soil water content(v%)
土壤空气的组成含量不是固 定不变的，土壤水分、 定不变的，土壤水分、土壤生物 活动、土壤深度、土壤温度、 活动、土壤深度、土壤温度、pH 值，季节变化及栽培措施等都会 影响土壤空气变化。 影响土壤空气变化。 随着土壤深度增加， 随着土壤深度增加，土壤空气 含量增加， 含量减少， 中CO2含量增加，O2含量减少， 其含量相互消长。 其含量相互消长。 相互消长
二、土壤通气性
一）、土壤与大气交换的机制 1、质流交换 整体交换，<100次/年 2、扩散交换 土壤呼吸，主要机制 Fick定律
Mass flow
质流（对流） 质流（对流）
低压区
土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动。 土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动。 总压力梯度推动的气体整体流动
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扩 散 过 程
气相扩散 液相扩散
通 过 充气 孔 隙扩 散 保持 着 大 气 和土 壤 间的 气 体交 流 作用 通过不同厚度水膜的扩散
扩散公式——Fick law： 扩散公式 ：
qd =-Ddc/dx
qd——扩散通量 单位时间通过单位面 扩散通量(单位时间通过单位面 扩散通量 积扩散的质量) 积扩散的质量 dc/dx--浓度梯度； 浓度梯度； 浓度梯度 “-”—表示方向 表示方向 D--扩散系数 面积 时间 扩散系数(面积 时间) 扩散系数 面积/时间
是主要氧化剂: 在通气良好的土壤中， Ｏ２是主要氧化剂 在通气良好的土壤中，氧体系控制氧化还原反 应，使多种物质呈氧化态，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。 使多种物质呈氧化态， SOM(特别是新鲜有机物 是还原剂 土壤缺Ｏ２条件下，将氧化物 特别是新鲜有机物)是还原剂 土壤缺Ｏ 条件下， 特别是新鲜有机物 是还原剂: 转化为还原态。 转化为还原态。 土壤氧化还原体系可分为无机体系和有机体系: 土壤氧化还原体系可分为无机体系和有机体系: 无机体系的反应一 般是可逆的， 般是可逆的，有机体系和微生物参与条件下的反应是半可逆或不可 逆的。 逆的。 氧化还原反应不完全是纯化学反应， 氧化还原反应不完全是纯化学反应，很大程度上有微生物参与 分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成) 如:NH4+→NO2-→NO3-(分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成 分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成 土壤是不均匀的多相体系，不同土壤和同一土层不同部位， 土壤是不均匀的多相体系，不同土壤和同一土层不同部位，氧化 还原状况会有不同差异。 还原状况会有不同差异。 土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水、排水而变化。 土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水、排水而变化。
土壤空气与种子萌发
种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时， 种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时， 葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。 葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。
土壤空气状况与植物抗病性
（1）植物感病后，呼吸作用加强，以保持细胞内较高的氧 ）植物感病后，呼吸作用加强， 水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用。 水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用。 （2）呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些隔离区 ）呼吸提供能量和中间产物， 阻止病斑扩大。 阻止病斑扩大。 （3）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。 ）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。
四、土壤通气和氧还状况对土壤功能的影响 一）、成土过程影响 季节性降水、积水，干湿交替 二）、对土壤养分影响 1、N 2、P 由氧化态到还原态 有效性提高 3、Fe、Mn 由氧化态到还原态 有效性提高
三）、还原条件的毒害问题 1、有机酸/醛 2、亚硝酸根积累 3、 Fe2+、Mn2+ 4、S2-、H2S
二）、土壤氧化还原反应 有机碳易丢失电子，是土壤中最重要还原剂。 氧气最易接受电子，是土壤中最重要氧化剂。 三）、土壤氧化还原电位Eh
土壤氧化还原反应总有H+参与， 活度对氧化还原平衡有直接影响 活度对氧化还原平衡有直接影响。 土壤氧化还原反应总有 参与，H+活度对氧化还原平衡有直接影响。 参与
Eh随pH升高而降低，每单位 引起的 变化为 随 升高而降低 每单位pH引起的 变化为59mV(25℃）。 升高而降低， 引起的Eh变化为 ℃ 同一氧化还原反应在碱性溶液中比在酸性溶液中容易进行。 同一氧化还原反应在碱性溶液中比在酸性溶液中容易进行。
Soil depth
Content
CO2
O2
2、组成 土壤空气与大气组成的差别
O2(%)
atmosphere soil air 20.94 18.0～ ～ 20.03
（volume%)
CO2(%)
0.03 0.15～0.65 ～
N2 (%)
78.05 78.8～80.24 ～
其它气体(%) 其它气体(%) 0.98 0.98