第八章 土壤空气 soil air
一,土壤空气的组成特点
土壤空气组成有以下分方面的特点,
1.土壤空气中 CO2>>近地层大气中 CO2 （ Carbon dioxide）
原因,（ 1）土壤有机物质的分解释放 CO2
(2) 土壤中根系、微生物、土壤动物的呼吸释放 CO2
（ 3）无机碳酸盐的分解 CO2
研究土壤中 co2释放与固定问题成为当今土壤科学发展的前沿领域！。
一,土壤空气的组成特点（ soil air composition)
2.土壤空气中 O2<<近地层大气中 O2（ oxygen）
原因：微生物和根系等土壤中生物呼吸消耗。
3.土壤空气中水汽压高于近地层大气中水汽压。 土壤空气几乎为水气饱和的。
因为土壤湿度均在, 最大吸湿量, 之上。
4.土壤空气中有少量的还原性气体（恨量气体） 。特别是土壤通气不良时，含有
CH4,H2S,H2,N2O,C2H6,PH3,CS2等还原性气体和温室效应气体。大气中
这些还原性气体少。
Soil Air the part of ground air that is in the soil and is similar to the air of the
atmosphere but depleted in oxygen content and enriched in carbon dioxide,
Alternatively,the gaseous phase of soil is called soil air,In a completely dry soil most
of the pores are filled with air,As the soil water content increases the amount of air in
the soil decreases,
The composition of air in an well-aerated soil is close to the composition of
atmospheric air,as the oxygen consumed in the soil by plants and micro-organisms is
readily replaced from the atmosphere,However,in a poorly aerated soil,the
composition of air differs from the atmospheric air,
一,土壤空气的组成特点
Two important gases in soil air are carbon dioxide and oxygen,Carbon dioxide is
produced as a by-product of plant root respiration and biological activity,Oxygen is
consumed in the soil by the same processes,and plant roots require oxygen to function
normally,For most plant species,transaction of oxygen from the leaves to the roots is
not adequate to supply oxygen at the required rate,Hence,plant roots must supplement
oxygen supply from soil air,As a result oxygen is depleted from soil air,Oxygen
content in soil air is replenished by oxygen from the atmosphere above the soil surface,
This transport occurs primarily by gaseous diffusion,
In a surface layer of a well-aerated soil,the oxygen content is between 18 and 21
percent,while at a greater soil depth and specially in soils that are wet for a long period
it may be very much lower,The carbon dioxide content of soil air is usually between
0.1 and 5 per cent and can reach nearly 20 per cent,Under reducing conditions soil air
may contain methane,hydrogen sulphide,and ammonia,
问题,土壤空气质量如何满足作物生长需求的？
有资料表明：如果土壤不具备通气性，那么，土壤空气中 O2仅能够作物根系呼
吸消耗 12~40个小时，可见，土壤气体更新是多么重要。土壤是如何通气的呢？
二,土壤的通气机制 (soil aeration)
（一）土壤通气性（ soil aeration) ;
又称为土壤空气更新。指的是土壤空气于近体层大气的交换过程。
（二）土壤通气的主要机制：主要有两种方式
1.整齐交换：土壤空气交换（ soil air exchange）也有人叫质流、对流。
主要由于近地层环境因子剧烈变迁所引起的土壤中所有空气成分沿同一个方向
的流动。如：风、气压变化、温度梯度变化、降水和灌溉的作用。
这是特定条件下的土壤气体更新过程。
2.气体扩散（ soil air diffusion)
土壤中气体分子因浓度梯度或气体分压不同而产生的气体移动。
土壤 CO2↑, O2↓
土壤失出 CO2,吸收 O2,有人叫, 土壤呼吸, （ soil respiration)
气体扩散规律服从 FicK定律
二,土壤的通气机制 (soil aeration)
土壤中气体扩散过程也可用 Fick第一定律表示 。
（ 4.10）
式中,q表示体积扩散通量 [LT-1]
Ds表示土壤中气体表观扩散系数 [L2T-1]
C表示气体容积分数 (浓度 )[L3?L3]
x表示扩散距离 [L]
若用扩散气体的分压 (P)代替浓度，方程为,
（ 4.11）
式中 ?表示浓度与分压的换算常数 （ 比值 ）
dx
dcDq
s??
dx
dPDq
s )/( ???
注意：气体扩散是土壤气体交换的主要机制！
三,土壤通气性的指标
（一）呼吸系数,（ RQ,respiratory quotient),也叫, 呼吸商,
一定时间内一定面积土壤上所产生的 CO2的容积与所消耗的 O2的容积比。
一般情况下,RQ≈1 ;RQ>1,通气不良。
（二）土壤通气量（ air flux）：单位时间在压力梯度作用下通过单位面积的土壤
空气量（ CO2+O2），通气量大，通气性强。
（三）土壤扩散率（ ODR,oxygen diffusion rate)：单位时间通过单位面积土壤
氧气的克数（或微克数）。它标志着土壤空气中 O2的补给速率。
当 ODR<20× 10-8克时，大部分植物根系停止生长。正常的土壤 ODR要维持在
30× 10-8~40× 10-8以上 。 豆科植物要求比禾本科要高，甜菜要求更高。
用氧电极（ Pt电极）可以测定土壤 ODR。
（四）氧化还原电位（ Eh）（ soil redox potential)
2
2
O
co
V
VRQ ?
田
间
土
壤
通
气
性
测
定
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（一）土壤氧还原体系（ soil redox system)
Oxidation
Oxidation,A reaction in which atoms or molecules gain
oxygen,oe lose hydrogen or electrons
Fe2+=Fe3++e-
Reduction
Reduction,A reaction in which atoms or molecules lose
oxygen,or gain hydrogen or electrons,
N2+H2=NH3
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
土壤氧化还原体系的特点,
①土壤中氧化还原体系有无机体系和有机体系两类。
②土壤中氧化还原反应虽有纯化学反应，但很大程度上是由生
物参与的。
③土壤是一个不均匀的多相体系，即使同一田块不同点位都有
一定的变异，测 Eh时，要选择代表性土样，最好多点测定求平
均值。
④土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间，不同耕作
管理措施等都会改变 Eh值。严格地说，土壤氧化还原永远不可
能达到真正的平衡。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（二）土壤氧化还原电位（ Eh）
用此式可以说明土壤氧化还原电位和通气性之间定性关系，不可
计算而得，因为土壤是一个多体系平衡。一般是用电极法直接测定。
在不同类型土壤中,Eh值一般变动在 100~800mV之间，有时会
下降到负值。通气良好的土壤表层 Eh较高，沿着土壤剖面向下，
Eh值逐渐降低，在地下水饱和处，土壤 Eh有时为负值。
旱地土壤在田间持水量条件下 Eh=200~750mV，多数为变化于
300mV~400mV至 600~700mV之间。
水田有时可以低到 -200mv，此时，由于 Fe,Mn的还原被淋溶到
下层淀积，使水稻土壤发生明显的土层分化。水稻土适宜的 Eh为
200~400mv
][ R e
][lo g059.0
0 d
OX
n
EEh ??
1,微生物的活动：消耗氧,释放 CO2,
2,易分解有机的含量,有机物质分解过程是一个耗氧过程 。
在一定的通气条件下, 土壤中的易分解的有机愈多, 耗氧也愈
多, 其氧化还原电位就较低 。
3,土壤中易氧化和还原的无机物的含量
土壤的氧化体和硝酸盐含量高时, 可使 Eh值下降得较慢 。
(用加入外源铁, 调控土壤释放 CH4）
4,植物根系的代谢作用：根系呼吸和分泌物参与了氧化还原
作用, 水稻根系输氧, 根系附近为红色的 。
5,土壤的 pH值：一般随 pH升高而下降, 下降幅度很复杂,随
母质类型, 气候特征不同而不同 。
（三）影响土壤氧还原的因素
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（四）氧还原电位意义
直接作用表示土壤的氧浓度，即土壤的通气性，除此，还具有以下意义,
1.土壤氧化还原状况对养分有效性的影响
把土壤 Eh值 300mV作为土壤氧化还原状况的分界线。 Eh>330mV时，土壤呈
氧还状态,<300mV土壤呈还原状态。 土壤养分的化学形态取决于土壤的氧化还
原电位。
Eh过高或过低对作物生长不利，当 Eh>750mV时，土壤好气性太强，有机物
质分解过快，造成养分大量损失,Fe和 Mn完全以高价化合物存在，溶解度低，
植物已出现缺铁黄化，或缺锰, 灰斑,,, 白班, 病,
如氮素，氧化态为 NO3-，磷在好气条件下为,H2PO4-和 HPO4=，硫为 SO4=，
都是植物可以吸收利用的形态特征。
土壤中氮的化学形态与氧化还原电位关系
Eh（ mV） 750~480 480~340 340~200 200~0
氧化体系 硝酸盐 亚硝酸盐与硝酸盐 亚硝酸盐 氧化亚氮
在土壤强还原条件下，高价铁（ Fe3+)还原为低价铁 (Fe2+)，植物可以吸收利
用。在极端恶劣的长期积水土壤中，硫酸根（ SO4=）也还原为硫化物 (S2-)，与此
同时可能发生硫化亚铁的沉淀反应 (FeS)，使铁的有效度下降。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
2,氧化还原状况与有毒物质积累
Eh<200mv时,土壤中的铁锰化合物就从氧化态转化为还原态,
当 Eh<-100mv时,则低价铁 (Fe2+)浓度已超过高价铁 (Fe3+),会
使植物产生铁的毒害。水稻受害的水溶性 Fe2+的临界浓度约为
50~100mg.kg-1。
Eh<-200mv,就可能产生 H2S和丁酸等的过量积累,对水稻的
含铁氧化还原酶的活动有抑制作用,影响其呼吸、减弱根系吸收
养分的能力。在 H2S浓度高时,抑制植物根对磷、钾的吸收，甚至
出现磷、钾从根内渗出。
水田土壤大量施用绿肥等有机肥时常常发生 FeS的过量积累
和 H2S产生,使稻根发黑,土壤发臭变黑,影响其地上部分的生长发
育；还可能产生碳的还原性气体（ CH4），危害环境。因此有人
已经提出,不再在水田搞, 秸秆还田,,不能以牺牲环境为代价
换取粮食增产的论断（见：土壤科学与农业持续发展）。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
3.土壤氧化还原电位不同，剖面层次分化产生了不同的剖面构型与不同颜色。
随着 Fe和 Mn的还原，土壤颜色有 红棕,黄 褐色,变为 青 灰色,
蓝色。土壤剖面上锈纹锈斑、铁锰结核（铁籽）产生就是氧化还原
交替进行的产物。长期积水田的水面上因为氧化性，在水面形成锈
水层这样土壤被人们称为, 锈水田,,其土壤内部却处于还原状态。
五,土壤通气性与作物生长
（一）影响根系发育：大多数作物在通气良好的情况下，根系长、颜色浅。根
毛多；缺氧的根系则短而粗，根毛大量减少。土壤空气中 O2浓度低于 9~10%
时，根系发育就受到了抑制；降到 5%以下，绝大部分作物的根系就停止发育。
对于萝卜和甜菜等块根作物的影响最为显著，已出现畸形根。
图示表明：土壤深度与土壤表
层氧浓度以及氧扩散率关系
（ ODR），土层深度增加，氧
扩散率降低，根系生长受阻。
ODR<20× 10-8cm2/分钟，根
系生长会停止。
苹果树根至少需要土壤空气中
有 3%的氧才能生存，而
5~10%的氧可以满足根系正常
生长需求，新根生长至少要求
12%的氧。
图中箭
头表示
根系生
长的深
度位置
五,土壤通气性与作物生长
（二）影响种子萌发和根系的吸收功能
种子萌发是一个耗氧过程，缺氧会影响种子内物质的转化和代谢活动。在潮
湿嫌气条件下，微生物对有机物质的分解产生的醛类和有机酸类物质也会影响种
子萌发。
通气不良，根系呼吸作用减弱，吸收水分和养分的能力降低，对钾的吸收影
响最大，依次为钙、镁、氮、磷等。
农作物对土壤空气的最低需要量 （ Мосоодов 和 Потапов,1949)
作 物 土壤通气量 (%)
空气中氧含
量
cm3/100g
作 物 土壤通气量 (%) 空气中氧含量 cm3/100g
沼泽植物
小麦
燕麦
6~10
10~15
10~15
4.5~5.6
6,5~7.0
6.5~10.0
大麦
甜菜
15~20
15~20
10.0~13.3
10.0~13.7
Мосоодов 和 Потапов提出土壤空气含量少于 4cm3/100克时，植物正常
生长可能不存在，土壤就必须进行改善物理特性的根性农业技术改良措施。
五,土壤通气性与作物生长
氧扩散率（ ODR与不同植物状况之间关系
植 物 土壤类型 3种土壤深度内的 ODR 生长表现
10cm 20cm 30cm
茎叶菜
莴苣
菜豆
甜菜
草莓
棉花
柑橘
壤土
粉砂壤土
壤土
壤土
砂壤土
粘壤土
砂壤土
53
49
27
58
36
7
64
31
26
27
60
32
9
45
38
32
25
16
34
-
39
生长良好
生长好
植物黄化
主根发育不良
植物黄化
植物黄化
根系生长迅速
引自 Stolzy及 Letey
五,土壤通气性与作物生长
（三）影响土壤养分状况
影响土壤氮素的转化和化学形态
有机物质分解与腐殖化速率变化
土壤空气中 CO2浓度影响着碳酸盐的溶解度，影响 Ca,Mg,P、
K等养分的释放或溶解。
元素 好气条件下 嫌气条件下
C
N
S
Fe
Mn
CO2
NO3-
SO4=
Fe3+
Mn4+
CH4
N2,NH4+
H2S,S2-
Fe2+，氧化亚铁
Mn2+,氧化亚锰
几种养分的氧化态和还原态
五,土壤通气性与作物生长
（四）影响作物抗性
土壤通气不良，土壤中产生的还原气体，如 H2S等积累过多，会
对作物其毒害作用。土壤溶液中 H2S含量达到 0.07ppm时，水稻就
常表现枯黄，稻根发黑。
土壤通气不良，使作物已于患病，其原因是 O2不足,CO2过多，
土壤酸度增加，适于致病的霉菌发育，同时，还由于作物生长不良，
抗病力降低而易于感染病害。
注意在亚野外区别生理病害和由土壤环境诱发的病害以及土壤
缺素症状等问题发生。
土壤通气性调节
土壤通气性主要取决于通气孔度，对于一般旱作而言，土壤通
气孔杜不少于 10%。
土壤通气性调节措施分为两类,
（ 1）排除过多的土壤水分 (soil drainage,
排水措施：明沟排水 (ditch drainage)和暗沟排水 (tile drainage)
（ 2）土壤结构的改善与保护措施（见结构）
此外,还有
对于旱地：中耕松土、深耙勤锄、破除地表板结
对于水田：干耕、晒垡、搁田、烤田等
依据土壤选择作物,紫花苜蓿、果树、森林树木及其它深根性植
物需要深厚的通气良好的土壤。禾本科牧草、杂三叶草及三叶草等
浅根作物可惜在心土通气不良条件下生长。
要关心剖面上土壤空气质量
深度
/cm
覆 膜
露 地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO
2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
0
－
－
0.915
－
－
0.056
0.056
－
5
0.158
20.497
1.006
20.439
0.70
20.649
0.211
20.653
10
0.420
20.397
1.060
20.275
0.104
20.513
0.279
20.668
15
0.250
20.486
0.865
19.953
0.134
20.857
0.385
20.506
20
0.483
20.478
1.348
20.060
0.150
20.121
0.406
20.634
30
0.573
19.865
1.159
20.005
0.313
20.181
1.157
20.362
50
0.922
19.929
1.520
19.698
0.402
20.198
1.281
19.873
平均
0.615
20.124
1.268
19.953
0.269
20.329
0.847
20.022
覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量 (%)
土壤通气性调节
保护地农业中土壤空气及室内空气质量调控对于增产很重要。
同学们注意,土壤管理与生态环境问题研究为学科发展前沿领域！
一,土壤空气的组成特点
土壤空气组成有以下分方面的特点,
1.土壤空气中 CO2>>近地层大气中 CO2 （ Carbon dioxide）
原因,（ 1）土壤有机物质的分解释放 CO2
(2) 土壤中根系、微生物、土壤动物的呼吸释放 CO2
（ 3）无机碳酸盐的分解 CO2
研究土壤中 co2释放与固定问题成为当今土壤科学发展的前沿领域！。
一,土壤空气的组成特点（ soil air composition)
2.土壤空气中 O2<<近地层大气中 O2（ oxygen）
原因：微生物和根系等土壤中生物呼吸消耗。
3.土壤空气中水汽压高于近地层大气中水汽压。 土壤空气几乎为水气饱和的。
因为土壤湿度均在, 最大吸湿量, 之上。
4.土壤空气中有少量的还原性气体（恨量气体） 。特别是土壤通气不良时，含有
CH4,H2S,H2,N2O,C2H6,PH3,CS2等还原性气体和温室效应气体。大气中
这些还原性气体少。
Soil Air the part of ground air that is in the soil and is similar to the air of the
atmosphere but depleted in oxygen content and enriched in carbon dioxide,
Alternatively,the gaseous phase of soil is called soil air,In a completely dry soil most
of the pores are filled with air,As the soil water content increases the amount of air in
the soil decreases,
The composition of air in an well-aerated soil is close to the composition of
atmospheric air,as the oxygen consumed in the soil by plants and micro-organisms is
readily replaced from the atmosphere,However,in a poorly aerated soil,the
composition of air differs from the atmospheric air,
一,土壤空气的组成特点
Two important gases in soil air are carbon dioxide and oxygen,Carbon dioxide is
produced as a by-product of plant root respiration and biological activity,Oxygen is
consumed in the soil by the same processes,and plant roots require oxygen to function
normally,For most plant species,transaction of oxygen from the leaves to the roots is
not adequate to supply oxygen at the required rate,Hence,plant roots must supplement
oxygen supply from soil air,As a result oxygen is depleted from soil air,Oxygen
content in soil air is replenished by oxygen from the atmosphere above the soil surface,
This transport occurs primarily by gaseous diffusion,
In a surface layer of a well-aerated soil,the oxygen content is between 18 and 21
percent,while at a greater soil depth and specially in soils that are wet for a long period
it may be very much lower,The carbon dioxide content of soil air is usually between
0.1 and 5 per cent and can reach nearly 20 per cent,Under reducing conditions soil air
may contain methane,hydrogen sulphide,and ammonia,
问题,土壤空气质量如何满足作物生长需求的？
有资料表明：如果土壤不具备通气性，那么，土壤空气中 O2仅能够作物根系呼
吸消耗 12~40个小时，可见，土壤气体更新是多么重要。土壤是如何通气的呢？
二,土壤的通气机制 (soil aeration)
（一）土壤通气性（ soil aeration) ;
又称为土壤空气更新。指的是土壤空气于近体层大气的交换过程。
（二）土壤通气的主要机制：主要有两种方式
1.整齐交换：土壤空气交换（ soil air exchange）也有人叫质流、对流。
主要由于近地层环境因子剧烈变迁所引起的土壤中所有空气成分沿同一个方向
的流动。如：风、气压变化、温度梯度变化、降水和灌溉的作用。
这是特定条件下的土壤气体更新过程。
2.气体扩散（ soil air diffusion)
土壤中气体分子因浓度梯度或气体分压不同而产生的气体移动。
土壤 CO2↑, O2↓
土壤失出 CO2,吸收 O2,有人叫, 土壤呼吸, （ soil respiration)
气体扩散规律服从 FicK定律
二,土壤的通气机制 (soil aeration)
土壤中气体扩散过程也可用 Fick第一定律表示 。
（ 4.10）
式中,q表示体积扩散通量 [LT-1]
Ds表示土壤中气体表观扩散系数 [L2T-1]
C表示气体容积分数 (浓度 )[L3?L3]
x表示扩散距离 [L]
若用扩散气体的分压 (P)代替浓度，方程为,
（ 4.11）
式中 ?表示浓度与分压的换算常数 （ 比值 ）
dx
dcDq
s??
dx
dPDq
s )/( ???
注意：气体扩散是土壤气体交换的主要机制！
三,土壤通气性的指标
（一）呼吸系数,（ RQ,respiratory quotient),也叫, 呼吸商,
一定时间内一定面积土壤上所产生的 CO2的容积与所消耗的 O2的容积比。
一般情况下,RQ≈1 ;RQ>1,通气不良。
（二）土壤通气量（ air flux）：单位时间在压力梯度作用下通过单位面积的土壤
空气量（ CO2+O2），通气量大，通气性强。
（三）土壤扩散率（ ODR,oxygen diffusion rate)：单位时间通过单位面积土壤
氧气的克数（或微克数）。它标志着土壤空气中 O2的补给速率。
当 ODR<20× 10-8克时，大部分植物根系停止生长。正常的土壤 ODR要维持在
30× 10-8~40× 10-8以上 。 豆科植物要求比禾本科要高，甜菜要求更高。
用氧电极（ Pt电极）可以测定土壤 ODR。
（四）氧化还原电位（ Eh）（ soil redox potential)
2
2
O
co
V
VRQ ?
田
间
土
壤
通
气
性
测
定
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（一）土壤氧还原体系（ soil redox system)
Oxidation
Oxidation,A reaction in which atoms or molecules gain
oxygen,oe lose hydrogen or electrons
Fe2+=Fe3++e-
Reduction
Reduction,A reaction in which atoms or molecules lose
oxygen,or gain hydrogen or electrons,
N2+H2=NH3
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
土壤氧化还原体系的特点,
①土壤中氧化还原体系有无机体系和有机体系两类。
②土壤中氧化还原反应虽有纯化学反应，但很大程度上是由生
物参与的。
③土壤是一个不均匀的多相体系，即使同一田块不同点位都有
一定的变异，测 Eh时，要选择代表性土样，最好多点测定求平
均值。
④土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间，不同耕作
管理措施等都会改变 Eh值。严格地说，土壤氧化还原永远不可
能达到真正的平衡。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（二）土壤氧化还原电位（ Eh）
用此式可以说明土壤氧化还原电位和通气性之间定性关系，不可
计算而得，因为土壤是一个多体系平衡。一般是用电极法直接测定。
在不同类型土壤中,Eh值一般变动在 100~800mV之间，有时会
下降到负值。通气良好的土壤表层 Eh较高，沿着土壤剖面向下，
Eh值逐渐降低，在地下水饱和处，土壤 Eh有时为负值。
旱地土壤在田间持水量条件下 Eh=200~750mV，多数为变化于
300mV~400mV至 600~700mV之间。
水田有时可以低到 -200mv，此时，由于 Fe,Mn的还原被淋溶到
下层淀积，使水稻土壤发生明显的土层分化。水稻土适宜的 Eh为
200~400mv
][ R e
][lo g059.0
0 d
OX
n
EEh ??
1,微生物的活动：消耗氧,释放 CO2,
2,易分解有机的含量,有机物质分解过程是一个耗氧过程 。
在一定的通气条件下, 土壤中的易分解的有机愈多, 耗氧也愈
多, 其氧化还原电位就较低 。
3,土壤中易氧化和还原的无机物的含量
土壤的氧化体和硝酸盐含量高时, 可使 Eh值下降得较慢 。
(用加入外源铁, 调控土壤释放 CH4）
4,植物根系的代谢作用：根系呼吸和分泌物参与了氧化还原
作用, 水稻根系输氧, 根系附近为红色的 。
5,土壤的 pH值：一般随 pH升高而下降, 下降幅度很复杂,随
母质类型, 气候特征不同而不同 。
（三）影响土壤氧还原的因素
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
（四）氧还原电位意义
直接作用表示土壤的氧浓度，即土壤的通气性，除此，还具有以下意义,
1.土壤氧化还原状况对养分有效性的影响
把土壤 Eh值 300mV作为土壤氧化还原状况的分界线。 Eh>330mV时，土壤呈
氧还状态,<300mV土壤呈还原状态。 土壤养分的化学形态取决于土壤的氧化还
原电位。
Eh过高或过低对作物生长不利，当 Eh>750mV时，土壤好气性太强，有机物
质分解过快，造成养分大量损失,Fe和 Mn完全以高价化合物存在，溶解度低，
植物已出现缺铁黄化，或缺锰, 灰斑,,, 白班, 病,
如氮素，氧化态为 NO3-，磷在好气条件下为,H2PO4-和 HPO4=，硫为 SO4=，
都是植物可以吸收利用的形态特征。
土壤中氮的化学形态与氧化还原电位关系
Eh（ mV） 750~480 480~340 340~200 200~0
氧化体系 硝酸盐 亚硝酸盐与硝酸盐 亚硝酸盐 氧化亚氮
在土壤强还原条件下，高价铁（ Fe3+)还原为低价铁 (Fe2+)，植物可以吸收利
用。在极端恶劣的长期积水土壤中，硫酸根（ SO4=）也还原为硫化物 (S2-)，与此
同时可能发生硫化亚铁的沉淀反应 (FeS)，使铁的有效度下降。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
2,氧化还原状况与有毒物质积累
Eh<200mv时,土壤中的铁锰化合物就从氧化态转化为还原态,
当 Eh<-100mv时,则低价铁 (Fe2+)浓度已超过高价铁 (Fe3+),会
使植物产生铁的毒害。水稻受害的水溶性 Fe2+的临界浓度约为
50~100mg.kg-1。
Eh<-200mv,就可能产生 H2S和丁酸等的过量积累,对水稻的
含铁氧化还原酶的活动有抑制作用,影响其呼吸、减弱根系吸收
养分的能力。在 H2S浓度高时,抑制植物根对磷、钾的吸收，甚至
出现磷、钾从根内渗出。
水田土壤大量施用绿肥等有机肥时常常发生 FeS的过量积累
和 H2S产生,使稻根发黑,土壤发臭变黑,影响其地上部分的生长发
育；还可能产生碳的还原性气体（ CH4），危害环境。因此有人
已经提出,不再在水田搞, 秸秆还田,,不能以牺牲环境为代价
换取粮食增产的论断（见：土壤科学与农业持续发展）。
四,土壤氧化还原电位（ Eh）
3.土壤氧化还原电位不同，剖面层次分化产生了不同的剖面构型与不同颜色。
随着 Fe和 Mn的还原，土壤颜色有 红棕,黄 褐色,变为 青 灰色,
蓝色。土壤剖面上锈纹锈斑、铁锰结核（铁籽）产生就是氧化还原
交替进行的产物。长期积水田的水面上因为氧化性，在水面形成锈
水层这样土壤被人们称为, 锈水田,,其土壤内部却处于还原状态。
五,土壤通气性与作物生长
（一）影响根系发育：大多数作物在通气良好的情况下，根系长、颜色浅。根
毛多；缺氧的根系则短而粗，根毛大量减少。土壤空气中 O2浓度低于 9~10%
时，根系发育就受到了抑制；降到 5%以下，绝大部分作物的根系就停止发育。
对于萝卜和甜菜等块根作物的影响最为显著，已出现畸形根。
图示表明：土壤深度与土壤表
层氧浓度以及氧扩散率关系
（ ODR），土层深度增加，氧
扩散率降低，根系生长受阻。
ODR<20× 10-8cm2/分钟，根
系生长会停止。
苹果树根至少需要土壤空气中
有 3%的氧才能生存，而
5~10%的氧可以满足根系正常
生长需求，新根生长至少要求
12%的氧。
图中箭
头表示
根系生
长的深
度位置
五,土壤通气性与作物生长
（二）影响种子萌发和根系的吸收功能
种子萌发是一个耗氧过程，缺氧会影响种子内物质的转化和代谢活动。在潮
湿嫌气条件下，微生物对有机物质的分解产生的醛类和有机酸类物质也会影响种
子萌发。
通气不良，根系呼吸作用减弱，吸收水分和养分的能力降低，对钾的吸收影
响最大，依次为钙、镁、氮、磷等。
农作物对土壤空气的最低需要量 （ Мосоодов 和 Потапов,1949)
作 物 土壤通气量 (%)
空气中氧含
量
cm3/100g
作 物 土壤通气量 (%) 空气中氧含量 cm3/100g
沼泽植物
小麦
燕麦
6~10
10~15
10~15
4.5~5.6
6,5~7.0
6.5~10.0
大麦
甜菜
15~20
15~20
10.0~13.3
10.0~13.7
Мосоодов 和 Потапов提出土壤空气含量少于 4cm3/100克时，植物正常
生长可能不存在，土壤就必须进行改善物理特性的根性农业技术改良措施。
五,土壤通气性与作物生长
氧扩散率（ ODR与不同植物状况之间关系
植 物 土壤类型 3种土壤深度内的 ODR 生长表现
10cm 20cm 30cm
茎叶菜
莴苣
菜豆
甜菜
草莓
棉花
柑橘
壤土
粉砂壤土
壤土
壤土
砂壤土
粘壤土
砂壤土
53
49
27
58
36
7
64
31
26
27
60
32
9
45
38
32
25
16
34
-
39
生长良好
生长好
植物黄化
主根发育不良
植物黄化
植物黄化
根系生长迅速
引自 Stolzy及 Letey
五,土壤通气性与作物生长
（三）影响土壤养分状况
影响土壤氮素的转化和化学形态
有机物质分解与腐殖化速率变化
土壤空气中 CO2浓度影响着碳酸盐的溶解度，影响 Ca,Mg,P、
K等养分的释放或溶解。
元素 好气条件下 嫌气条件下
C
N
S
Fe
Mn
CO2
NO3-
SO4=
Fe3+
Mn4+
CH4
N2,NH4+
H2S,S2-
Fe2+，氧化亚铁
Mn2+,氧化亚锰
几种养分的氧化态和还原态
五,土壤通气性与作物生长
（四）影响作物抗性
土壤通气不良，土壤中产生的还原气体，如 H2S等积累过多，会
对作物其毒害作用。土壤溶液中 H2S含量达到 0.07ppm时，水稻就
常表现枯黄，稻根发黑。
土壤通气不良，使作物已于患病，其原因是 O2不足,CO2过多，
土壤酸度增加，适于致病的霉菌发育，同时，还由于作物生长不良，
抗病力降低而易于感染病害。
注意在亚野外区别生理病害和由土壤环境诱发的病害以及土壤
缺素症状等问题发生。
土壤通气性调节
土壤通气性主要取决于通气孔度，对于一般旱作而言，土壤通
气孔杜不少于 10%。
土壤通气性调节措施分为两类,
（ 1）排除过多的土壤水分 (soil drainage,
排水措施：明沟排水 (ditch drainage)和暗沟排水 (tile drainage)
（ 2）土壤结构的改善与保护措施（见结构）
此外,还有
对于旱地：中耕松土、深耙勤锄、破除地表板结
对于水田：干耕、晒垡、搁田、烤田等
依据土壤选择作物,紫花苜蓿、果树、森林树木及其它深根性植
物需要深厚的通气良好的土壤。禾本科牧草、杂三叶草及三叶草等
浅根作物可惜在心土通气不良条件下生长。
要关心剖面上土壤空气质量
深度
/cm
覆 膜
露 地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO
2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
0
－
－
0.915
－
－
0.056
0.056
－
5
0.158
20.497
1.006
20.439
0.70
20.649
0.211
20.653
10
0.420
20.397
1.060
20.275
0.104
20.513
0.279
20.668
15
0.250
20.486
0.865
19.953
0.134
20.857
0.385
20.506
20
0.483
20.478
1.348
20.060
0.150
20.121
0.406
20.634
30
0.573
19.865
1.159
20.005
0.313
20.181
1.157
20.362
50
0.922
19.929
1.520
19.698
0.402
20.198
1.281
19.873
平均
0.615
20.124
1.268
19.953
0.269
20.329
0.847
20.022
覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量 (%)
土壤通气性调节
保护地农业中土壤空气及室内空气质量调控对于增产很重要。
同学们注意,土壤管理与生态环境问题研究为学科发展前沿领域！
