土壤空气、热量、水分、分散系及肥力特性—超前培优—探讨大学地理知识

土壤空气、热量、水分、分散系及肥力特性 ——结合相关高考真题 3.1土壤空气及其运动 土壤空气是土壤的重要组成成分之一，它和土壤水分共同存在于土壤孔隙之中，是土壤肥力与土壤自净能力的要素之一。土壤微生物分解有机物、消耗O₂、释放CO₂；通气不良时植物根系吸收养分受阻，且嫌气性微生物释放毒害物质。 3.1.1土壤空气的来源和组成 土壤空气来源于近地大气层，经过土壤微生物的改造，即土壤微生物呼吸过程及有机质分解过程消耗了O₂，而释放出CO₂，虽然与大气仍有近似之处，但已有明显的差异。据观测资料表明，表土层中土壤空气中的CO₂绝对含量一般在0.20%~4.5%之间，并不很高，但已高出近地大气层中CO₂含量的6~300倍；此外随着土壤层次深度的增大，土壤空气中CO₂含量急剧增加，而O₂含量急刷减少，如表3-1所示。 此外，土壤空气中的水汽经常处于饱和状态，在土壤有机质分解过程中也可产生微量的CH₄、H₂S、CH₃一CH₂OH、NH₃等。土壤空气的成分在很大程度上取决于土壤有效孔隙的数量、土体中生物化学反应速度和气体交换速率。 土壤有效孔隙的数量与土壤体积密度、结构、质地和有机质含量有关。向土壤施入大量有机肥，特别是在水热条件适宜时，将使土壤空气的成分发生很大的变化。实际上，土壤中并不是全部孔隙都被土壤空气所充满，其中许多微孔隙被水分所占据。因此，土壤空气的组成也随着时间和空间的不同在不断地变化。 土壤空气的成分对生物活动具有明显的影响，首先，土壤通气状况不良对土壤微生物活动影响强烈，只有嫌气性和兼性微生物能在通气不良的条件下进行正常的活动，它们能够利用化合态的氧，最终会在土壤中产生Fe²⁺、Mn²⁺、H₂S、CH₄等还原性物质，这些物质对高等植物常常是有毒的； 其次，土壤通气不良会对高等植物活动带来许多危害，如制约植物特别是植物根系的生长、阻碍植物根系对水分和养分的吸收等。如观测研究发现，苹果树根在土壤空气中O₂含量为3%以上时，才能生存；O₂含量在5%~12%时，才可满足其根系生长的需要，且新生根系的生长至少要求土壤空气中O₂含量为12%。 3.1.2土壤气体交换过程 土壤中不断进行的动植物呼吸作用和微生物对有机物质的生物化学分解作用，使得土壤空气中的O₂不断消耗而CO₂不断累积，其结果是引起土壤空气中O₂、CO₂浓度与近地层大气中O₂、CO₂浓度之间差异扩大，这样必然引起O₂、CO₂气体分子的扩散。 分子扩散是由分子的随机运动（布朗运动）所引起的质点分散现象，气体分子扩散运动过程服从斐克第一定律，即分子扩散运动的质量通量与环境介质中扩散物质的浓度梯度成正比，即动植物、微生物消耗土壤中的O₂、释放CO₂，产生与大气的浓度差，在土壤孔隙中扩散，即呼吸作用。孔隙水分少、有机物多、风力大可加速交换。 I ₓ=-Em (dc/dx) 式中：Iₓ是X方向上扩散的气体分子推移迁移质量通量；Em是气体分子在环境介质中的扩散系数；c是气体分子在环境介质中的浓度。 分子扩散运动是各向同性的，式中负号表示分子扩散运动方向与浓度梯度方向是相反的。土壤与近地大气之间O₂、CO₂扩散过程也称为土壤呼吸作用，如图3-1所示。 近地大气层空气的湍流运动也会引起土壤与大气之间的空气交换，这种气体交换只发生在土壤表土层之内，而对土壤心土层和底土层的气体交换影响不大。显然，相对于土壤与近地大气层之间的气体扩散过程而言，空气交换的重要性较小。由此可见，土壤与近地大气层之间气体交换应具备两个基本条件： 是土壤固相物质部分有足够的孔隙，容许气体的进入与排出；二是必须具备促使气体进入或排出这些孔隙的原动力，即土壤空气与近地大气层之间不同气体的浓度梯度、近地大气层空气的湍流运动。因而凡是影响上述条件的因素都会对土壤气体交换过程产生影响，这些因素可归结为： ①近地大气层的气压、风速、温度和土壤温度的变化，它们是土壤气体交换的原动力，是影响土壤空气交换的主要因素； ②土壤质地、结构和土壤孔隙状况，则是影响土壤空气运动和交换的重要因素； ③土壤水分状况直接影响土壤中容许空气进出孔隙的多少，影响土壤与近地大气层间气体交换的速度； ④土壤有机质含量及施用有机肥状况，会直接消耗土体内O₂的总量，并增加土体内CO₂的总量，引起土壤与近地大气层之间O₂浓度梯度和CO₂浓度梯度的增大，从而加速土壤空气交换过程。 土壤气体交换速率直接反映土壤通气状况，度量土壤气体交换速率的定量指标是土壤中氧扩散速率。土壤中氧扩散速率(ODR：oxygen diffusion rates of soil)是指每分钟由近地大气层扩散进入每平方厘米土壤O₂的微克数，其单位是μg（cm³·min)。氧扩散速率随着土壤深度的增加而降低，如实际观测表明，当表土层土壤空气中的氧气体积含量为14.8%时，10