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第一節 土壤三相及其對植物生長的影響

一、土壤三相的一般描述

土壤是由固體、液體和氣體三相物質組成的疏松多孔體。固相物質包括:巖石風化后的產物,即土壤礦物質;①土壤中植物和動物殘體的分解產物和再合成的有機質;②生活在土壤中的微生物。前者構成土壤的無機體,后者構成土壤的有機體。在土壤固相是指物質之間為形狀和大小不同的孔隙。土壤液相是指土壤中水分及其水溶物,土壤中所含水量的多少由三相體中水分所占的相對比例表示,稱之為含水率。氣體是存在于土壤孔隙中的空氣。土壤中這三類物質構成了一個矛盾的統一體,它們互相聯系,互相制約,為作物提供必需的生活條件,是土壤肥力的物質基礎。

二、土壤固相對植物生長的影響

土壤固相是指土壤的主體,它不僅是植物扎根立足的場所,而且它的組成、性質、顆粒大小及其配合比例等,又是土壤性質產生和變化的基礎,直接影響著土壤肥力的高低。土壤固相一般占土壤總體積的50%左右。

(一)土壤礦物質及其對植物生長的影響

土壤礦物質是巖石經物理風化作用和化學風化作用后形成的,占土壤固相部分總重量的90%以上,是組成土壤的最基本物質,它能提供植物所需的多種營養元素,對改善土壤的理化性質和土壤團粒結構以及保水、供水、通風、穩溫等都有重要作用。按土壤礦物質成因分為原生礦物和次生礦物。

原生礦物類是巖石經風化作用后形成的碎屑,其原來化學成分沒有改變。在風化與成土過程中原生礦物構成土壤的骨架,是土壤砂粒的主要來源,同時供給土壤水分可溶性成分,并為植物生長發育提供礦質營養元素,如氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂和其他微量元素。

次生礦物類是原生礦物質經過化學風化作用后形成的新礦物,它包括各種簡單鹽類、次生氧化物和鋁硅酸鹽類礦物。易溶鹽類由原生礦物脫鹽基過程或土壤溶液中易溶鹽離子析出而形成,主要包括碳酸鹽(Na2CO3)、重碳酸鹽[Ca(HCO32]、硫酸鹽(MgSO4)、氯化物(NaCl),為植物生長提供必要的元素,如鈉(Na)、鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)等,但是如果土壤中易溶鹽過多就會引起植物根系的原生質核脫水收縮,危害植物正常生長。

重要礦質營養元素對植物生長的影響主要表現在下列幾個方面。

1.氮對植物生長的影響

氮(N)的主要作用首先在于它是生命物質——蛋白質的主要成分,蛋白質含氮16%~18%。氮也是核酸的成分。這些都是細胞的重要組成成分。植物的生長發育實際上是細胞的增長,缺少氮時新細胞就難以形成,植物的生育就會停滯。所以,氮對根系和枝葉生長表現出明顯的作用。氮也是葉綠素的重要成分,缺氮時葉綠素形成受阻,葉片顏色變淡變黃,光合作用減弱甚至停止。氮還是許多酶的成分,沒有酶時許多代謝過程無法進行。因此,氮素供應適量時,作物生長旺盛,葉子的光合作用功能強、結實率高、產量高;氮供應不足時,由于蛋白質形成少,導致細胞分裂少,細胞小而壁厚,使之生長緩慢,植株矮小,植株早衰,谷類植物谷粒不飽滿,當年缺氮的果樹會影響下年萌芽、開花結果。

2.磷對植物生長的影響

磷(P)不但是植物體中許多重要化合物的組成成分,而且以多種方式參與植物的新陳代謝過程。

(1)磷是植物體中多種重要化合物的組成成分。磷是核酸和蛋白質的組成成分,而此物質是細胞核和各種細胞器的組成成分。因此,缺磷會抑制新細胞的形成,使根系發育不良,植株生長停滯,出現生產中常遇到的“僵苗”現象。

(2)磷與作物主要代謝過程有密切的聯系。首先,磷有促進碳水化合物的合成和運輸的作用;其次,磷對蛋白質的合成與分解都起著重要的作用,嚴重缺磷時,蛋白質只有分解而沒有合成;磷還有促進脂肪合成的作用。所以適當施用磷肥對提高蛋白質、糖和油脂含量有良好的效果。

(3)磷有提高作物對外界環境適應能力的作用。首先,它能增強作物的抗旱和抗寒能力,因為磷能增強細胞抗脫水和忍受較高溫的能力,促進根系的生長發育,并能調節作物體內許多重要的代謝過程;其次,磷能增強作物對外界條件酸堿變化對作物影響的能力,即緩沖能力;此外,磷對提高作物抗病和抗倒伏能力方面也有一定的作用,例如在增施磷肥后可減輕小麥的銹病、水稻的紋枯病、玉米的莖腐病等。

3.鉀對植物生長的影響

鉀(K)在作物體中的存在形態與氮、磷不同,它主要是以離子態或可溶性鹽類,或被吸附在原生質表面上而存在。現在已知它有下列幾個方面的作用。

(1)促進光合作用,促進碳水化合物的合成和運輸。

(2)促進蛋白質的合成。

(3)增強作物莖稈的堅韌性,增強作物的抗倒伏和抗病蟲能力。

(4)提高作物的抗旱和御寒能力。由于鉀能維持細胞的正常含水量、減少水分的蒸騰損失和提高作物的含糖量,如果缺鉀,作物含水量下降,根細胞就會很快衰老。所以干旱地區或季節以及越冬作物,要考慮增施鉀肥。

作物缺鉀最典型的癥狀是從老葉或植株下部葉片先開始,老葉或植株下部葉片的葉尖和葉緣發黃,進而變褐,焦枯似灼燒狀,葉片上出現褐色斑點,甚至斑狀,但葉中部、葉脈和近葉脈處仍保持綠色。因為鉀的再利用程度大,鉀不足時,老組織中的鉀可轉移到幼嫩組織中,但如果嚴重缺鉀,嫩葉也會發生此癥狀。另外是根系發育不良,根細弱,常呈褐色;當氮素充足時,缺鉀的雙子葉植物的葉子常卷曲而顯皺紋,禾本科作物則莖稈柔軟易倒伏,分蘗少,抽穗不整齊。

4.硫對植物生長的影響

硫(S)是構成蛋白質不可缺少的成分,含硫有機物參與植物呼吸過程中的氧化還原作用,影響葉綠素的形成,植物缺硫時的癥狀與缺氮時的癥狀相似,會產生比較明顯的變黃現象,一般癥狀是植株矮,葉細小,葉片向上卷曲,變硬易碎,提早脫落,開花遲,結果、結莢少。

5.鈣對植物生長的影響

鈣(Ca)是構成細胞壁的重要元素,它與蛋白質分子相結合,是質膜的重要組成成分;鈣是某些酶的活化劑,因而影響植物體的代謝過程,它對調節介質的生理平衡具有特殊的功能。植物缺鈣時,植株矮小,根系發育不良,莖和葉及根尖的分生組織受損;嚴重缺鈣時,植物幼葉卷曲,新葉抽出困難,葉尖之間發生粘連現象,葉尖和葉緣發黃或焦枯壞死,根尖細胞腐爛死亡。應該注意的是,植物缺鈣往往不是由于土壤缺鈣,而是由于植物體對鈣的吸收和運輸等生理作用失調所造成。

6.鎂對植物生長的影響

鎂(Mg)是葉綠素的組成部分,也是許多酶的活化劑,與碳水化合物的代謝、磷酸化作用、脫羧作用關系密切,可促進呼吸作用和核酸、蛋白質的合成過程,并促進糖分和脂肪的形成。植物缺鎂時的癥狀首先表現在老葉上,開始時葉的尖端和葉緣的脈尖色澤退淡,由淡綠變黃再變紫,隨后向葉基部和中央擴展,但葉脈仍保持綠色,在葉片上形成清晰的網狀脈紋,嚴重時葉片枯萎、脫落。

7.微量元素對植物生長的影響

與大量和中量營養元素一樣,微量元素(硼、銅、氯、鐵、鋅)對植物營養同等重要,盡管通常植物對它們的需要量并不多,但它們中任何一種缺乏都會限制植物的生長。

(1)硼(B)的功能。硼不是植物體內的結構成分,但它對植物的某些重要生理過程有著特殊的影響。硼能促進碳水化合物的正常運轉,缺硼時葉內有大量碳水化合物積累,影響新生組織的形成、生長和發育。硼還能促進生長素的運轉,為花粉粒萌發和花粉管生長所必需,也是種子和細胞壁形成所必需的。硼與碳水化合物運輸有密切關系,它還有利于蛋白質的合成和豆科作物固氮。植物缺硼時,植物生長點和幼嫩葉片的生長、植株生長受抑制并影響產量和品質,嚴重缺硼時,幼苗期植株就會死亡。此外,硼能促進植物生殖器官的正常發育。

(2)銅(Cu)的功能。銅是作物體內多種氧化酶的組成成分,在氧化還原反應中銅有重要作用。它也是植株呼吸作用中重要的酶,影響作物氮、碳等元素的代謝及對鐵的吸收。銅作為葉綠體中的類脂成分,對葉綠體的合成和穩定起到促進作用。植物缺銅時,葉綠素減少,葉片出現失綠現象,幼葉的葉尖因缺綠而黃化并干枯,導致葉片脫落。植物缺銅還會使繁殖器官的發育受到破壞。

(3)氯(Cl)的功能。植物對氯的需要量比硫小,但比其他微量元素的需要量要大,植物在光合作用中水的光解需要氯離子參加,大多數植物均可從雨水或灌溉水中獲得所需要的氯,因此,作物缺氯癥難于出現。氯有助于鉀、鈣、鎂離子的運輸,并通過幫助調節氣孔保衛細胞的活動而幫助控制膨壓,從而控制了水的損失。

(4)鐵(Fe)的功能。鐵在植物中的含量不多,它是形成葉綠素所必需的,缺鐵時便產生缺綠癥,葉子呈淡黃色,甚至為白色。鐵參與細胞的呼吸作用,在細胞呼吸過程中,它是一些酶的成分。由此可見,鐵對呼吸作用和代謝過程有重要作用。

(5)鋅(Zn)的功能。鋅是植物某些酶的組成元素,也是促進一些代謝反應必需的。鋅對于葉綠素生成和形成碳水化合物是必不可少的。土壤含鋅量從每畝幾十克到幾公斤,細質地土壤通常比砂質土壤含鋅高,隨著土壤pH值的升高,鋅對植物生長的有效性降低。缺鋅和嚴重缺鋅的玉米葉片脈間失綠,呈現清晰的黃綠色條紋,癥狀主要出現在中脈與葉緣之間,嚴重缺鋅的葉片出現淺棕色條狀壞死組織,葉緣及中脈兩旁仍保持綠色。

(二)土壤有機質及其對植物生長的影響

土壤有機質是土壤中最活躍的成分,盡管在土壤中含量不大,一般耕作土壤耕層中土壤有機質的含量為50~300g/kg,但它對土壤水、肥、氣、熱影響很大,在一定程度上決定著土壤肥力的高低。因此,經常將有機質含量作為土壤肥力高低的標志之一。

1.土壤有機質的來源、組成和存在狀態

土壤有機質的主要來源是植物殘體和根系,以及施入的各種有機肥料,土壤中的微生物和動物也為土壤提供一定量的有機質。

土壤有機質中的化合物可分為普通化合物和特殊化合物兩大類:普通化合物是指有機酸、單糖、多糖(包括淀粉、半纖維素、纖維素、果酸)、木質素、樹脂、脂肪、蠟質、單寧、蛋白質等,這類有機物質約占有機質總量的10%~20%;特殊化合物是指土壤中特有的腐殖物質(亦稱腐殖質),包括胡敏素、胡敏酸、富里酸等,占有機質總量的80%以上。

土壤中的有機物質有三種存在狀態:

(1)新鮮的有機物質。是指剛進入土壤,仍保持原來生物體解剖學上特征的那些動植物殘體,基本上未受到微生物的分解。

(2)半腐解的有機物質。是指受到微生物分解的動植物殘體,已失去解剖學上的特征,多為暗褐色的碎屑或小塊。

(3)腐殖質。是經微生物分解,并再合成的有機物質。

一般把部分半腐解的有機物質和全部的腐殖質稱為土壤有機質。

2.土壤有機質對植物生長的作用

(1)提供植物需要的養分。土壤有機質中含有大量的植物必需營養元素,在礦質化過程中,這些營養元素釋放出來供給植物吸收利用。土壤全氮量與有機質含量呈顯著正相關關系。另外,有機質分解產生的各種有機酸,能分解巖石、礦物,促進礦物中養分的釋放,改善植物的營養條件。

(2)減輕土壤污染。腐殖質與某些重金屬離子能形成溶于水的絡合物,并隨水排出,從而減輕有毒物質對土壤的污染以及對作物的危害。在一定濃度下,腐殖質能促進微生物和植物的生長,腐殖酸鹽的稀溶液能改變植物體內的糖類代謝,促進還原糖的積累,提高細胞滲透壓,從而增強作物的抗旱能力。

(3)刺激作物生長發育。有機質在分解過程中產生的腐殖酸、有機酸、維生素及一些激素,對作物生育有良好的促進作用,可以增強呼吸和對養分的吸收,促進細胞分裂,從而加速根系和地上部分的生長。

(三)土壤微生物及其對植物生長的影響

土壤中的微生物是土壤肥力的核心,它間接或直接地參與土壤中幾乎所有的物理、化學和生物學反應,對土壤肥力起著非常重要的作用。土壤中的微生物種類繁多,主要有細菌、放線菌、真菌、藻類和原生動物等五大類群。其中細菌、放線菌、真菌的個體雖然小,但它們繁殖快,數量大,通常每克土中有幾十億個,是土壤微生物的主要部分。

下面是微生物對植物生長作用的簡要討論。

(1)分解有機質。作物的殘根敗葉和施入土壤中的有機肥料,只有經過土壤微生物的作用,才能腐爛分解,釋放出營養元素,供作物利用,并且形成腐殖質,改善土壤的理化性質。

(2)分解礦物質。例如磷細菌能分解出磷礦石中的磷,鉀細菌能分解出鉀礦石中的鉀,以利作物吸收利用。

(3)固定氮素。氮氣在空氣的組成中占4/5,數量很大,但植物不能直接利用。土壤中有一類稱為固氮菌的微生物,能利用空氣中的氮素作食物,在它們死亡和分解后,這些氮素就能被作物吸收利用。固氮菌分兩種,一種是生長在豆科植物根瘤內的,稱為根瘤菌,種豆能夠肥田,就是因為根瘤菌的固氮作用增加了土壤里的氮素;另一種是單獨生活在土壤里就能固定氮氣,稱為自生固氮菌。另外,有些微生物在土壤中會產生有害的作用,例如反硝化細菌,能把硝酸鹽還原成氮氣,放到空氣里去,使土壤中的氮素受到損失。

三、土壤液相對植物生長的影響

土壤的液相部分,泛指含可溶性物質的土壤水。土壤中水分的兩大基本功能是:①滿足作物生長的需求,隨著葉面蒸發植物體水分不斷減少,需要源源不斷的從土壤中吸收水分,以維持植物體內生理活動;②水是溶劑,它和溶解的養分一起構成土壤溶液,植物從中吸收所需營養元素。

(一)土壤水的形態及其對植物生長的影響

土壤中的水分因為受到土粒吸附力、吸著力、毛管力和重力的作用,而呈現不同的存在形態,對植物的有效性不同。存在于土壤中的液態水通常可區分為以下四種形態。

1.吸濕水

土壤顆粒表面積很大,因而具有很強的吸附力,能將周圍環境中的水汽分子吸附于表面,這種束縛在土粒表面的水分稱為吸濕水。當土粒周圍的水汽飽和時,土壤吸濕水量達到最大,相應的含水率稱為最大吸濕量或吸濕系數。吸濕水為吸附在土粒表面的水汽分子,緊靠土粒,無溶解能力,不能移動,對植物生長意義不大。

2.薄膜水

當吸濕水達到最大數量后,土粒已無足夠的力量吸附空氣中活動力較強的水汽分子,只能夠吸持周圍環境中處于液態的水分子,由于這種吸著力吸持的水分使吸濕水外面的水膜逐漸加厚,形成連續的水膜,故稱為薄膜水。薄膜水達到最大值時的土壤含水率稱為最大分子持水量。土壤含水率越低,土粒對水的吸著力越大,當土壤中的薄膜水受土壤介質的吸著力約為15大氣壓時,土壤中的水分便不能為植物根系所吸收,致使植物發生永久性凋萎,因而又稱這種土壤含水率為凋萎系數。由于薄膜水移動速度比較緩慢,移動速度為0.2~0.4mm/h,雖可被植物吸收一部分,但不能滿足植物需要。

3.毛管水

土壤中薄膜水達到最大值后,多余的水分子便由毛管力吸持在土壤的細小孔隙中,這部分水稱為毛管水。自然條件下,地下水在毛管力的作用下,將沿土壤中的細小孔隙上升,由此而保持在毛管孔隙中水分稱為毛管上升水;當地下水位埋深較大時,毛管上升水遠遠不能達到表層土壤,此時降雨或灌溉后由毛管力保持在上層土壤細小孔隙中的水分稱為毛管懸著水。當毛管懸著水量達到最大值時的土壤含水量稱為田間持水量。毛管水是在土壤毛管孔隙中由毛管力所保持的水分,所受吸力為6.25~0.08個大氣壓,可自由上下左右移動,并有溶解養分的能力,是農業生產中最有效的土壤水分。

4.重力水

毛管力隨著毛管直徑的增大而減小,當土壤孔隙直徑足夠大時,毛管作用便十分微弱,習慣上稱土壤中這種直徑較大的孔隙為非毛管孔隙。若土壤的含水量超過了土壤的田間持水量,多余的水分不能為毛管力所吸持,在重力作用下將沿非毛管孔隙下滲,這部分土壤水分稱為重力水,當土壤中的孔隙全部為水所充滿時,土壤的含水率稱為飽和含水率或全蓄水量。重力水雖然可以被植物吸收,但因為它很快就流失,所以實際上被利用的機會很少,而當重力水暫時滯留時,卻又因為占據了土壤大孔隙,有礙土壤空氣的供應,反而對高等植物根的吸水有不利影響。

土壤水的類型不同,其被植物利用的難易程度也不同。在凋萎系數以下的水分屬無效水,不能被植物所利用;在凋萎系數至田間持水量之間的水分,具有可移動性,能及時滿足作物的需水量,屬于有效水;田間持水量以上的水分屬多余水。在農業生產中,田間持水量和凋萎系數被作為重要的水分常數,廣泛用于設計和指導農田灌溉。

(二)土壤溶液及其對植物生長的影響

土壤溶液是指在土壤水分不飽和條件下土壤中存在的可溶性物質的均衡溶液。可溶性物質包括,氣體物質、有機物和簡單的無機鹽等,其中有部分被土壤固相所吸附。土壤溶液處于土壤三相體系中固相與液相的界面上,土壤的一些物理化學過程,包括養分的轉化和遷移過程都在此進行。土壤溶液中的無機物質是植物養分直接的供給源。

土壤溶液的組成和濃度主要取決于土壤固相和氣相的物質組成,同時還因施肥、灌溉及其水質、地下水水質、降水、植物的吸收和淋溶作用等的影響而有變化,與土壤固相和氣相物質處于均衡狀態。通常,土壤溶液的濃度極其稀薄,一般在200×106~1000×106左右,其滲透壓低于一個大氣壓,能使植物得到必要的水分。但在干旱或半干旱的鹽漬土區,由于土壤中含有大量可溶性鹽類,土壤溶液的濃度可高達0.1%以上,其滲透壓隨之增大,因而植物吸收水分十分困難,影響正常生長。

土壤中各種鹽類的溶解度不同。如NaCl的溶解度較大,CaCO3的溶解度則較小。土壤溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+等可與某些有機物相結合而形成穩定性很高的絡合物,使金屬離子難于沉淀而活動性大,提高了某些微量元素對植物的有效性。

(三)土壤水勢及其對植物生長的影響

在土壤水動力學中,引進土壤水勢的概念,用能勢表達土壤水分存在的形態及其對植物的有效性。它不僅便于利用解析法和數值法求解土壤水問題,在實際使用中往往也更方便。

土壤水在大氣特定海拔條件下的純水,逆向傳輸到計算點的過程中,單位純水所做的功稱為總水勢。由于土壤中不同位置的水之間存在水勢差,土水勢高的水流向水勢低的位置。

土壤水某一點總土水勢由基質勢、溶質勢、重力勢、壓力勢和溫度勢組成,即:

總土水勢=基質勢+溶質勢+重力勢+壓力勢+溫度勢

1.基質勢

土壤系統的基質勢是由于土壤基質引起的毛管力和吸附力造成的。這些力吸引和束縛土壤中的水,并使總土水勢低于重力水的水勢。在土水系統中基質勢為負值,處于飽和狀態的土壤水基質勢為0。土壤水基質勢越小(基質勢負值越大),植物根系吸水難度越大。

2.溶質勢

土壤系統的溶質勢是由土壤溶液中可溶物質對水分子的吸力引起的。其大小取決于土壤溶液的濃度,濃度越大,溶質勢越小(水勢負值越大),植物根系吸收水分越困難。溶質勢也為負值。在鹽堿土地區,盡管土壤含水量很高,但因土壤水可溶性鹽分含量過大,致使植物根系吸水十分困難。

3.重力勢

土壤水的重力勢是因重力作用引起的,它與土壤性質無關,而僅取決于所在點與參考點的垂直距離。重力勢可以為正,也可為負,它取決于計算點與參考點的垂直相對位置,位于參考點以上為正,位于參考點以下為負。重力勢對植物根系吸水的影響沒有意義。

4.壓力勢

土壤水某一點的壓力勢是因其承受水壓引起的,其大小取決于所的位置。在土壤水飽和情況下,計算點壓力勢等于該點至飽和水面的垂直距離。在非飽和土壤水中,壓力勢為0。因為只有土壤水飽和時,才存在壓力勢,因此壓力勢對植物根系吸水的影響也無意義。

5.溫度勢

在土壤水中,由于溫度場的存在,單位純水由溫度高處流到溫度低處所做的功,稱為溫度勢。因為土壤水的溫度差一般很小,通常可不考慮。

在實際生產中,常常可見到“吸力”這個詞,它是指土壤水基質勢和溶質勢之和,實用上一般只計入基質勢。

在灌溉實踐中,常常遇到表達土水勢大小的單位,表2-1列出常見土水勢單位換算供參考。

表2-1 常見土水勢單位換算

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(四)土壤吸力及其對植物生長的影響

因為土壤的基質勢和溶質勢均為負值,在使用上不大方便,故把基質勢和溶質勢的負數分別定義為基質吸力和溶質吸力。在一般情況下研究田間土壤水運動時,常常不考慮溶質吸力。因此,通常所說的土壤吸力是指基質吸力。顯然,土壤吸力越大,植物根系吸水越困難。

四、土壤中氣相對植物生長的影響

土壤也和自然界許多生物活體類似,在不停地進行著“呼吸”。土壤空氣組成非常復雜,但有兩種氣體最為重要,且所占分量在土壤空氣中最多:一種是氧氣;另一種二氧化碳。大量的植物根系、微生物和一些小動物生長都需要氧氣,同時排出二氧化碳。如果土壤中氧氣含量過低,或者二氧化碳和其他還原性氣體(CH4、H2S等)積累過多,就會影響植物的正常生長。因此,土壤中空氣必須和大氣保持一定水平的交換才能保證植物的正常生長,所以土壤空氣也是土壤肥力的要素之一。

(一)土壤空氣的組成

土壤空氣的組成與大氣的關系密切,尤其表層土壤更是如此。大氣和土壤空氣的組成見表2-2。土壤空氣的組成有下列幾個特點:①CO2的含量比大氣含量高5~10倍甚至更多;②O2的含量比大氣O2含量稍低;③由于土壤孔隙(尤其在下層)中水分和氣體并存,土壤空氣的水汽含量,即相對濕度要比大氣高得多,一般均在99%以上;④還原性氣體,如CH4、H2S等要比大氣中多。

表2-2 大氣和土壤空氣的組成(體積%)

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注 摘自秦耀東《土壤物理學》,高等教育出版社,2003。

土壤空氣的組成隨季節和土層深度而變化,在春秋季節,溫度較低,土壤微生物和植物根系的呼吸強度較弱,相對消耗O2不多,釋放CO2的數量也少;夏季溫度升高,呼吸強度增大,O2的消耗量顯著增大,土壤中CO2的含量達到最高峰。Rixon等(1968)認為,在土壤通氣性良好的條件下,O2的消耗量和CO2釋放量在體積上幾乎相等。

(二)土壤空氣與植物生長

根系活動層中有足夠的O2是保證種子發芽和根系生長的重要前提,O2濃度過低會阻礙根系的伸長和側根萌發。Geisler(1969)等曾確定了土壤空氣中O2臨界值,低于這個濃度就會影響植物的正常生長,幾種作物土壤空氣中O2臨界值見表2-3。

表2-3 土壤空氣中O2臨界值(體積%)

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Stolzy(1981)等人認為土壤微生物需氧臨界值有一個很寬的范圍,即土壤空氣的含氧量可在0.1%~100%之間。好氣微生物(如硝化細菌)進行有氧呼吸,O2是必不可少的電子接受體;嫌氣微生物(如反硝化細菌)在缺氧情況下,活性反而提高。在土壤中往往會同時出現有氧呼吸和無氧呼吸兩個過程,許多研究者發現,土壤中相臨很近的兩點可能同時存在著硝化和反硝化兩個過程。Frede(1984)在空氣容量為15%的土壤中,曾測得因反硝化逸出的氮素一年共達40kg/hm2,這個事實表明,僅僅空氣容量一個指標并不能肯定土壤是否能滿足植物和微生物對O2的正常需要。

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