土壤透氣性

土壤的透氣性(Gas permeability of soil) 指土壤透過空氣的能力。它影響著土壤的氣體交換和自淨能力。土壤透氣性與土壤顆粒的大小成正比，並受土壤的含水量、溫度、大氣壓力和氣溫等條件的影響。

基本介紹

• 中文名：土壤透氣性
• 外文名：Gaspermeability of soil
• 定義：空氣或氣體通過土層的速度
• 別稱：土壤通氣性
• 影響因素：含水量、溫度、大氣壓力和氣溫等

釋義

土壤透氣性又叫土壤通氣性。土壤空氣與大氣相互交換的性能，或大氣進入土壤的速率。它與土壤結構，特別是與孔隙特性密切相關。總孔隙度或大孔隙比例較高的土壤，具有良好的透氣性。如結構良好的土壤透氣性比結構不良的土壤好；砂質土比粘質土好，水分含量適中的土壤比過度潮濕的好，表層土壤比下層土壤好等。土壤透氣性與土壤透水性呈正相關。透氣性良好的土壤能保證土壤空氣與大氣的正常交換，從而滿足土壤和作物對氧的需要，使土壤肥力得到進一步的發揮。可通過排水、客土、耕作、輪作等措施改善土壤的透氣性。

氣體交換動力特徵

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，前者屬於氣體的擴散，後者屬於氣體的整體交流。

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。土壤中由於作物根系和微生物生命活動，有機質的分解，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中，通過有機質的氧化獲得碳源和能量，在消耗O₂的同時產生CO₂，土壤微生物在生命活動過程中產生大量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分壓大於大氣的CO₂分壓，於是土壤中的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係數(單位時間通過單位面積的氣體量)。

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於大氣的壓力時，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。

土壤空氣由於擴散和整體交換，土壤中經常保持一定數量和比值的氧，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和化學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，罩內放一個培養皿，盛入一定濃度和量的鹼液(NaOH或Ba(OH)₂)，以吸收土壤中釋放出的CO₂，經過一定時間測定剩餘的鹼量，即可測出單位時間單位面積的CO₂釋放量。

透氣性測定

土壤透氣性是根據土壤在常壓條件下單位時間、單位面積(1cm)及以單位厚度(1cm)所通過的空氣數量(mL)測得的。

通常測定土壤透氣性是在變壓條件下進行的，這種方法簡便，但測得的結果不夠精確(透氣過程氣壓不是常數)。

測定土壤透氣性的簡便方法有常壓測定法和壓力計法。

常壓測定法

常壓測定法測定儀裝置可自行製作。儀器主要由盛土鋁筒(或硬質塑膠或不鏽鋼製成)，筒底中間設有管孔、壓力表、緩衝瓶(大於25L)，下口瓶及量筒構成。

測定步驟如下。

用原狀土取土器于田間採取預測土樣，置於盛土筒中(筒底最好鋪3層紗布)。

實驗開始先調節調整瓶4，使其水位與下口瓶5的出水口高度相等，打開夾子12，瓶5中水即流入瓶4，同時，瓶4中水也開始滴入量筒11中。當量筒11滴人第一滴水時，記下時間t，為了防止氣壓計6中水銀柱在滴水過程中跳動，故儀器裝有緩衝瓶3。在滴水時應保持氣壓計壓力不變，可通過不斷調整瓶4中水位來保持氣壓計壓力穩定。

在觀測t時間內，量筒中滴水量Q即相當於空氣通過土樣(土體)的數量。

測定結果計算如下。

土壤透氣量Q與土壤通氣面積F、空氣壓力P、時間△t成正比，與土層厚度h、空氣黏滯度ƞ成反比，即

K值為比例係數，即為土壤透氣係數，它的物理意義是：當氣體的黏滯度為1P(1P=0.1Pa·s)時，在單位空氣壓力下，在單位時間內，透過每單位面積、單位土層厚度的空氣量。由於氣體的黏滯度過小(25℃，相對濕度為95%時，黏滯度值為1.2×10P)，因此，以一個泊作為透氣係數標準時不夠合理，而且，所得K值也太小。為此，通常以某一固定溫度(如25℃)的空氣黏滯度作為標準進行校正，即

式中：ƞ_t為測定透氣溫度t℃時空氣黏滯度，P；ƞ₂₅為25℃時空氣黏滯度，P；△P為壓力計水銀柱高度，cm；ΔΔ為透氣過程中的時間，min；F為通氣土壤面積，cm；h為通氣土壤厚度，cm；Q為通氣量(即流水量)，mL。ƞ_t和ƞ₂₅可由物理化學手冊中查找。

田間壓力計法

壓力計法是根據計算拉平容積內外壓力比降所需要的時間t來設計的。壓力計法適於田間測定土壤透氣性。

測定步驟如下。

將直徑10～15cm、高3～5cm套圈7置入欲測土壤表面，中間安放直徑1cm硬質塑膠(或玻璃)管10，塑膠管固定在支架9上，塑膠管口應與土壤表面緊密接觸，套圈7中土壤表面塗抹熔化石蠟8。關閉開關6，打開開關5，用打氣筒4向氣筒1中打氣，使氣壓計2中水柱升高30～40cm。

關閉開關5，打開開關6，氣筒中空氣經過膠管及玻璃管10進入土壤，經過t，時，壓力計返回原來位置。

將玻璃管10抽出，置於空氣中，同上述步驟，測定玻璃管10於空氣中壓力計上水銀柱返回原來位置所需時間。

土壤透氣係數K按下式計算：

K（%）=t₁/t₂×100%

式中：K為土壤透氣係數，無量綱；t₁為向土壤排一定量的氣體所需要的時間，min；t₂為向空氣中排等量的氣體所需要的時間，min。

影響因素

土壤透氣性主要決定於土壤孔隙狀況，其次是土壤水分、溫度以及大氣壓和風的作用。

土壤孔隙狀況

土壤的氣體交換是在土壤中未被水分占據的孔隙中進行的，因此土壤的透氣性和透水性一樣不僅決定於土壤的總孔隙度，更重要的是決定於土壤的空氣孔隙度。過小的、被阻塞的孔隙不能進行透氣作用。肥沃的土壤要求空氣孔隙應高於10%。因此，凡是影響土壤孔隙狀況的因素(如土壤結構、質地等)，都會影響土壤的透氣性。在結構良好的土壤里，大小孔隙比例恰當，水分進入土壤後迅速重新分配，小孔隙充水，大孔隙充氣，所以土壤的氣體交換作用幾乎不會減弱，並能保持較多的土壤水分。相反在無結構的粘重土壤里，因為空氣孔隙缺乏，即使增加少量水分，也會使土壤通氣性顯著減弱，往往在降雨或灌水后土壤表面形成結皮，不仗阻礙通氣，還易使作物受到機械損傷。特別在高溫條件下，土壤充水，作物根系呼吸受阻，還原性物質累積，作物常發生“閉氣"中毒現象，靠近地面的作物莖部和根部變黑腐爛死亡。

土壤水分

含水多的土壤，空氣數量少，含水少的土壤，空氣數量就多；土壤水分過多，空氣孔隙為水分所占據，氣體交換的通道受阻，以致二氧化碳的濃度提高。在含水合適的土壤里一般不會發生嚴重的透氣問題，並且溶於水中的氧也可隨水進入土壤。

土壤溫度、氣壓和風的變化

土壤溫度和氣壓的變化能引起土壤空氣的脹縮和氣體分子的運動，促進擴散作用和對流作用的進行。風對土壤透氣的影響，是由於在土壤的迎風面，氣體有一定程度的濃縮，氣壓高，而在背風面氣流稀薄，壓力降低，因而促進土壤空氣的交換。但這種影響範圍主要在土壤的表層。

總之，土壤透氣性好壞主要決定乾未被水分占據的空氣孔隙及其粗細。土壤質地、結構、鬆緊度和含水量等影響孔隙狀況的因素都會影響土壤的透氣性。