耕作层土壤气体扩散系数的时空变异特征研究

Soil gas diffusivity is important parameter in studying soil gas movement, soil aeration, gas and water transport in soils, circulation and conversion of material and plant growth. Many factors, including soil structure (soil texture, soil pore distribution, soil bulk density, soil porosity and soil aggregate), soil water content and tillage, influence soil gas diffusivity. However, recent experimental and modeling studies focus on the relationship between soil gas diffusivity and one or a few factors. Particularly, few researches consider the temporal and spatial variation of soil gas diffusivity as related to soil structure variation in field. The objective of this study is to investigate the temporal and spatial variability of soil gas diffusivity in the tilled soil layer, where soil porosity and water content change continuously after tillage and planting. Soil porosity, water content, temperature and gas diffusivity will be measured continuously at tilled layer after planting. A soil gas diffusivity model will be established to consider dynamics of soil porosity, and then the effect of tillage on soil aeration will be study during the growing season. Our measurements and models are useful in understanding the spatial and temporal properties of soil gas diffusivity, gas movement, the process of coupled water and gas flow and other physic processes in soil.

土壤气体扩散系数是研究土壤中气体运动、水气耦合过程、物质循环转化以及土壤通气性与植物生长的重要参数。土壤气体扩散系数主要受土壤结构（质地、大小孔隙数量和分布、容重、总孔隙度及团聚体）、含水量和耕作的影响，具有很大的时空变异性。而目前的实验和模型研究通常只关注土壤气体扩散系数和单一因子或几个因子组合的关系，很少考虑田间土壤结构动态变化下气体扩散系数的时空变化特征。本项目拟以土壤耕作层为研究对象，通过动态监测土壤孔隙度、含水量、温度和气体扩散系数的变化规律，探讨耕作后土壤气体扩散系数随土壤结构的时空变化特征，建立耕层土壤气体扩散系数的动态变化模型，进而揭示耕作方式对生长季土壤通气性的影响机理。研究结果不仅有助于深入认识田间条件下土壤气体扩散系数的时空变异特征，而且对探讨土壤气体运动、水气耦合以及其它物理过程具有重要的理论意义和应用价值。

土壤气体扩散系数（Ds）是研究土壤中气体运动、水气耦合过程、物质循环转化以及土壤通气性与植物生长的重要参数。Ds主要受土壤结构（质地、大小孔隙数量和分布、容重、总孔隙度及团聚体）、含水量和耕作的影响，具有很大的时空变异性。而目前的实验和模型研究通常只关注土壤气体扩散系数和单一因子或几个因子组合的关系，很少考虑田间土壤结构动态变化下Ds的时空变化特征。本项目以土壤耕作层为研究对象，通过动态监测土壤孔隙度（容重）、土壤含水量、土壤温度、水分特征曲线和Ds的变化规律，探讨耕作后Ds随土壤结构的时空变化特征，并与实验室装填土柱进行了比较。研究表明：原装土柱和装填土柱随着容重的增加，Ds减小；在相同的充气孔隙度下，随着容重的增加，Ds增加，但是在容重1.0-1.2 g cm-3（孔隙度）变化范围内原装土柱Ds变化缓慢，表现出一定的缓冲性。这可能与均匀压实过程和自然沉实过程中有效空隙变化的比例变化不同有关。砂质和粉质壤土在翻耕后累计降雨达到50 mm时耕作层土壤容重趋于稳定。在耕作后的土壤中，前人利用总孔隙度（容重）变化代表土壤结构变化的模型计算相对气体扩散系数时会产生一定误差。对于砂质壤土，不同容重装填土柱充气孔隙度和Ds的关系固定不变；对于粉质壤土，相同充气孔隙度原状土柱Ds大于装填土柱，自然沉实过程中，充气孔隙度和Ds的关系动态变化，利用分段Ds模型提高了Ds预测的准确性。通过比较免耕和翻耕处理生长季的Ds的变化，免耕条件下虽然充气孔隙度小于旋耕处理，但是不同时期的充气孔隙度的变化规律与Ds的变化规律不同。由于免耕和旋耕土壤孔隙的连通性差异不显著，但是免耕提高了土壤含水量，导致整个生长季免耕处理下Ds明显小于翻耕处理。研究结果将有助于今后把土壤孔隙的连通性（Ds）与作物生长、有机质的转化、微生物的活动等过程联系起来。