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第七章 土壤空气
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土壤空气是土壤的重要组分，是土壤肥力的 四个要素之一，土壤空气状况是土壤重要的物理 性质。 另外，土壤的通气状况对土壤发生发展也有重 要的影响。
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第一节 土壤空气状况
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一、土壤空气的含量 土壤空气的含量不是一个稳定的数值，因 各种自然因素和人为因素的影响而变化。土壤
空气存在于未被水所占据的土壤孔隙中，在孔 隙度不变的情况下，土壤含水量增加，空气含 量必然减少。
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由于土壤水的含量随降雨、灌溉、蒸发、蒸 腾等因素不断变化，土壤空气的含量也因此而不断变化。 在水、气这对矛盾中，水处于主导地位，水可以赶走空气，但空气一般不能排斥水，水处于优先的、支配的地位。
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受的水分是一定的，但是通过人为因素改变土 壤的孔隙状况，也会极大地影响土壤空气的含 量。
另外，对于一定的土壤类型来说，尽管接 受的水分是一定的，但是通过人为因素改变土 壤的孔隙状况，也会极大地影响土壤空气的含 量。
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土壤空气的含量一般称为空气容量，通常以 单位体积中，空气所占的容积百分数表示。一般 旱地要求空气容量在10～15%以上，这和通气孔 隙度是一致的。
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二、土壤空气的组成 和土壤空气的含量一样，土壤空气的组成也 不是固定不变的，而是随时间、土层深度、生物 的活动不断变化的。
其组成特点可以归纳为6个方面。
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1、土壤空气是不连续的 在一般情况下，土壤空气被分隔在大大小 小的土壤孔隙中，有时被土粒所分隔，有时被 水分所分隔，不象大气层中那样连成一片。
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2、土壤空气是不均匀的 土壤中的空气，由于受到生物活动的影响，在各处是不均匀的，有时，各点之间的差别是 很大的。
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3、土壤空气中CO2的含量远远超过大气 大气中CO2的含量约为0.03%，而在土壤中可高 达0.16～0.65%。 这一特点有利于土壤中矿物质的化学风化, 对 提供矿质养分有积极作用。
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4、土壤空气中氧气的含量总是低于大气 这是生物消耗的结果，在严重时对植物根 系的呼吸和好气微生物的活动会产生不利影 响，氧气供应不足在土壤中不同程度地时有发 生。有人认为，土壤空气中，氧的浓度低于 10%是很普遍的现象。
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表7-1 土壤空气与大气组成的比较（容积%） 0.15-0.65 － 气 体 O2 CO2 N2 其他 气体 地面 大气 20.94
气 体 O2 CO2 N2 其他 气体 地面 大气 20.94 0.03 78.05 0.95 土 壤 空 气 －
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5、土壤空气中的水汽含量比大气高 当土壤含水量超过土壤能吸附的水量时，土壤 空气总是水分饱和的。
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6、土壤空气中有少量的还原性气体 当土壤空气流通严重受阻时，有一些还原 性气体在土壤中积累，如 CH4、H2S、 H2，特 殊情况下，还可能产生PH3 和CS2，严重危害 作物生长。
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三、土壤空气与作物生长 (一) 影响根系的发育 大多数作物在通气良好的土壤中，根系长、 颜色浅、根毛多，缺氧的根系则短而粗，颜色发
黑，根毛大量减少。
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根据资料，土壤空气中O2的浓度低于9～ 10%，根系发育就要受影响，如降到5%以下， 绝大部分的根系就停止发育。
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中国农业大学试验资料： 土壤空气中O2和CO2的总和为土壤空气的 21%时，棉花根系的生长和O2 / CO2的相对比 例有关。
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O2占17.85%， CO2 占3.15%时，发育良好； O2 占14.7%， CO2占6.3%时，能正常生长； O2降到8.42%， CO2超过12.6%时，根系就 停止了发育。
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通气不良时，作物根呼吸作用减弱，吸收养分和水分的功能降低，特别是对K的吸收影响最大，因而作物柔软、黄化。
长期淹水时，作物死亡，在一定程度上是 渴死的。
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(二) 影响种子萌发 种子萌发需要氧气，使种子内的营养物质进 行转化和代谢活动。通气不良时，一方面影响正 常的转化，另一方面却因产生了有害物质而使种 子受害(粉籽、烂种)。
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(三) 影响作物的抗病性 原因是O2不足，CO2过多，土壤酸度增加， 适于霉菌发育；同时，由于营养不良，抗病能力 降低。
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第二节 土壤通气性 (soil aeration)
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土壤通气性有两方面的含意： 一是指土壤空气与大气进行交换的能力； 二是指土体内部空气扩散交流的能力。
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土壤通气性的重要性在于，通过和大气的 交流，不断更新土壤空气的组成，保证足够的 氧气浓度，减少有害气体的影响。
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如果土壤通气由于某种原因受阻，土壤空气 中的氧在很短时间内就可能被全部消耗掉，这对 作物生长是非常有害的。
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一、土壤通气的机制 (一) 土壤空气和大气之间的整体交流 由于土壤空气和大气之间的总压力梯度而 产生的整体流动，叫作整体交流。
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整体交流产生的原因： 1、土壤温度的变化 当土温高于气温时，土壤中的空气受热上升， 近地面空气由于较湿而渗入土壤孔隙中，土壤温
度的昼夜变化，都能促进这种交流。
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2、水分进出土壤 当土壤水分含量增加时，就有更多的孔隙被 水所充塞，同时把相应体积的空气排挤出土体； 而当水分由于再分布或蒸腾、蒸发而降低时，大 气中的新鲜空气又会进入土体的孔隙之内。
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需要注意的是，如果水分迅速进入土壤，则可能有一部分空气被封闭在土体内，成为受挤压的气泡，此时水分的进入对空气的更新作用就受到限制，同时，空气也影响水的运动和分布。
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3、大气气压的变化 因地面上的风和气体流动而产生的空气机械搅动，也会推动表层土壤空气的整体流动，也是造 成土壤空气与大气进行整体交流的因素。
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(二) 气体扩散（soil air diffusion)
气体的扩散，是由个别气体的分压梯度而产 生的移动。 这是土壤通气的主要机制。
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土壤中生物的生命活动，使土壤空气中CO2的浓度不断增加，O2的浓度不断减少，因而造成
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CO2不断从土壤空气中向大气扩散，同时O2不断 从大气中向土壤空气中扩散。 这个过程叫作土壤呼吸。
这两个梯度的方向是相反的，它们分别引起 CO2不断从土壤空气中向大气扩散，同时O2不断 从大气中向土壤空气中扩散。 这个过程叫作土壤呼吸。
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土壤中O2和CO2的扩散，可用扩散定律来描述：
dQ = D · A · (dp/dx)dt 这个公式可以叙述为： 气体的扩散量和它的分压梯度以及扩散通 道的断面积成正比。
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D为扩散系数，代表气体在单位分压梯度下每
单位时间内通过单位面积土体断面的气体量。
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D主要取决于土壤性质，如孔隙状况。另外，
也和气体本身的性质有关。 相同含水量情况下，O2的扩散系数比CO2高1.25倍；温度对扩散系数也有影响，温度越高，扩散越快。
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土壤空气中的O2和CO2也可以在溶液中扩 散，但这种扩散速率要比在空气中扩散慢得多。 另一方面，由于各种气体和溶解度不同，在 溶液中扩散的速度也不一样，CO2要比O2快。
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在土壤中，能让气体通过的主要是未被水占 据的孔隙，而且这些孔隙又是粗细不等的，气体 分子在其中扩散时，往往会碰壁，需要经过曲折 的道路，才能从一点运动到另一点，速度极慢。
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二、土壤通气性的指标 (一) 氧扩散率(Oxygen Diffusion Rate, ODR) 1、概念
每分钟内扩散到每平方厘米土层氧的克 数，称为土壤的氧扩散率。
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2、测定原理和方法 用铂电极作为正极，一个标准电极作为负 极，把电极插入土中，铂电极上的氧被还原，产 生电流，其强度和氧被还原的量成比例，而氧被 还原的数量与扩散到铂电极表面的氧的速率有 关，根据测得的电流，用公式计算出氧的流量。
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一般认为，ODR的数值应大于3×10-7— 4×10-7克/cm2·min，低于2×10-8克/cm2·min，根 系生长就会受阻。
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3、存在问题 ① 铂电极的界面条件与根周围的界面条件不完 全一致； ② 受含水量影响，对水分饱和的土壤适用，较 干土壤不适用； ③ 还受其他因素的影响，如土壤pH等。
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(二) 土壤通气量 ( soil air flux )
指在单位时间内，在单位压力下，进入单位 体积土壤的气体总量，用ml/cm3·s来表示。 (三) 土壤的氧化还原电位
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第三节 土壤的氧化还原电位 ( soil redox potential )
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一、土壤通气性与氧化还原电位 土壤溶液中氧的浓度必然较高，这就强烈地影响 土壤溶液的氧化还原状况。因此，土壤通气性的
如果土壤通气性好，土壤空气中氧含量高， 土壤溶液中氧的浓度必然较高，这就强烈地影响 土壤溶液的氧化还原状况。因此，土壤通气性的 好坏，可以通过氧化还原电位来衡量。
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土壤氧化还原电位是如何产生的 —以Fe3+、Fe2+为例： 在通气良好的土壤中，土壤溶液中氧分压较 高，溶液中的铁大部分呈氧化态(Fe3+ )存在，只 有很少一部分铁没有氧化，呈Fe2+ 状态。
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如果通气不好，则Fe2+的浓度增高。 Fe3+和Fe2+之间的转化，可以通过铂电极 反应出来。
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在土壤中插入一个铂电极，则Fe2+和铂电极
接触时，就有可能将电子传给它，使电极带阴电荷，相应地，Fe2+被氧化成Fe3+；
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与此同时，土壤溶液中含有的Fe3+和铂电极接触时，则从铂电极上获取一个电子，使电极带正电荷。
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决定于电极周围土壤溶液中〔Fe3+〕/〔Fe 2+〕： Eh = E0 + 0.059 log 〔Fe3+〕/〔Fe 2+〕
在这个体系里，铂电极的电性及电位高低， 决定于电极周围土壤溶液中〔Fe3+〕/〔Fe 2+〕： Eh = E log 〔Fe3+〕/〔Fe 2+〕 Eh就是这种〔Fe3+〕/〔Fe 2+〕溶液的氧化还 原电位，E0称为铁体系的标准氧化还原电位。
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土壤中有许多氧化还原体系，如： Mn Mn SO4= S= NO NO NO N2 NO NH CO CH4
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反应所有这些体系的一般公式为： n为得失电子数。
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二、影响土壤氧化还原电位的因素 (一) 微生物的活动 微生物的活动需要氧，可能是游离态的氧，
也可能是化合物中的氧。微生物活动越强烈，耗 氧越多，使土壤溶液中的氧分压降低，氧化还原 电位下降，这种影响在通气性差时相当显著。
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(二) 易分解有机质的含量 有机质的分解主要是耗氧过程，通气性 一定时，土壤中易分解的有机质越多，耗氧 越多，氧化还原电位就越低。
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(三) 土壤中易氧化和易还原的无机物质的含量
土壤中的氧化铁和硝酸盐等含量高时，可以使Eh值下降得较慢。
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(四) 植物根系的代谢作用 植物根系的分泌物可以直接地或间接地影响 到根际的氧化还原电位，这对植物营养有特殊的 意义。 一般情况下，根区的氧化还原电位要低于其它部位，这在旱田中是正常的现象。
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对水稻来说，由于其根系有分泌氧的能力， 根际的Eh值反比根外高。水稻的这个生理特征， 使健壮的水稻根系的根毛表面常常包有红棕色的 胶膜，这层胶膜主要是铁质的含水氧化物，对根 系有一定的保护作用。
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(五) 土壤的pH值 土壤pH和Eh呈负相关关系，pH值上升， Eh下降。 大约为pH上升一个单位，Eh下降59mv， 但也有例外情况，影响因素比较复杂。
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三、氧化还原电位与土壤肥力 (一) 反映土壤通气状况 旱地土壤在田间持水量的情况下，其氧化还
原电位一般在200 mv以上，多数在300～400 mv或500～600 mv。
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高于700mv，可以认为是处于完全的好气 状态，这时微生物的活动有可能受水分太低的 限制，有机质的矿化会受到影响。
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(二) 表明土壤中养分的存在形态 在pH = 7的中性土壤中，当Eh降到410 mv以下时，NO3-就有还原为NO2-的可能，Mn4+也会还原成Mn2+ ，两者的标准氧化还原电位很接近，因此土壤中NO2-和大量的Mn2+可能相伴出现。
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当Eh降到-110 mv时，Fe3+会大量转变为Fe2+ ，这种情况在旱田比较少见。
Eh再降低，到-200 mv时，SO4=开始还原 为S=, 这种情况在水田常常发生，使稻根发黑， 严重影响水稻的生长和产量。
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(三) 反映土壤中微生物的活性 微生物的呼吸作用是一个耗氧的过程。如 果微生物活动旺盛，短期内可以消耗大量氧气， 同时产生大量的CO2，这就会使土空气中的氧分 压迅速下降，而土壤中氧分压的恢复需要一个过 程，其长短随土壤的通气性而异。
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在通气性基本一致的条件下，比较不同土壤 的Eh，可以判断土壤中生物活动的强度，Eh低 的土壤，其中的微生物活动比较旺盛。
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需要注意这里的因果关系；不是Eh低使微 生物活动旺盛，而是生物活动的旺盛，导致Eh 降低。 因此，通过测定土壤的Eh，可以了解土壤中的微生物活动状态。
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第四节 土壤通气性的调节
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一、促进土壤团粒结构的形成 施有机质、砂掺粘等。
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二、排水 在低洼或排水不良的土壤中，或者大雨之 后，土壤被水饱和，造成严重的缺氧状态。 此时，要采取有效的排水方法，迅速排除
多余水分，改善土壤的通气状况。
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三、耕作措施 中耕松土，打破土表结壳，都是行之有效 的改善通气性的措施。
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四、水田烤田 1、 能使土壤干缩，促进团粒结构的形成； 2、能增加土温，增加土壤空气，促进稻根下 扎，防止倒伏。
3、能促使好气微生物活动，增加土壤有效养 分，减少有害的还原性物质。
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五、维持适宜的渗漏量 通过渗漏水，可以把一部分溶解氧带入下层 土中，起到补充氧气的作用。
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复习参考题 一、解释下列概念 土壤通气性、气体的扩散、氧扩散率、土壤通气量、土壤呼吸
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二、回答下列问题 1、土壤空气与作物生长发育有什么关系？ 2、土壤空气的组成有什么特点? 3、土壤空气和大气之间的整体交流是如何产生的？ 4、影响土壤Eh的因素有哪些？ 5、如何调节土壤的通气性?
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