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,氣體交換動力特徵,擴散,氣體的總體交換,透氣性測定,常壓測定法,田間壓力計法,影響因素,土壤孔隙狀況,土壤水分,土壤溫度、氣壓和風的變化,

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
土壤透氣性
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
土壤透氣性
式中:ƞt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。ƞt和ƞ25可由物理化學手冊中查找。
土壤透氣性

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。

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