——“土壤气象学”或“地下气象学”是否会“且行且壮大”？

                               ——目前“雾霾”渐成大气候，“地下气象学”能否有所作为？

  张学文先生虽已逾古稀之年，但仍思路灵动、新想叠出。最近，他结合深圳土（泥）石流的发生，继续呼吁研究土壤气体，撰写了博文《深圳土（泥）石流催生“土壤气”学科？！》（http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2024&do=blog&id=945790）。 

   张先生曾首创”空中水文学“体系，出版《空中水文学》。循张学文“水文学上天”的由头，我想到了一个“气象学入地”，“土壤（或地下）气象学”。

   至于“土壤（或地下）气象学”是否有单独存在的可能性与必要性，我也说不清楚，欢迎讨论。

   有网友见到“土壤（或地下）气象学”的说法，提出英文中已有类似表达。具体内容参见附4，不过，这篇文献的“climatology and meteorology”与汉语的“气候学与气象学”有异，它有时仅指某地的“气候与气象条件”而已，并不是学科的理论体系。

   张学文先生与岳中琦先生提倡研究地下气体的意见是值得考虑的。我也希望张学文先生与岳中琦先生等对土壤气体及地下气体（如岩石裂缝中的气体）将这方面的认识进行提炼，归纳一些系统性的体系。

附1：http://dmt.zjlsedu.org/longresgz/300/070/010/040/040/L000000000103854.htm

土壤空气

1．土壤空气的来源和组成 土壤空气（soil air）主要来自大气，存在于未被水分占据的土壤孔隙中。土壤空气按其组成在质与量上均不同于大气中的空气。由于土壤生物生命活动的影响，二氧化碳比大气中含量高，而氧含量比大气的低。大气中CO2含量为0.03％，而土壤空气含CO2为大气的十倍至数百倍。氧在大气中一般约占20％，而土壤空气中只有10－12％，在通气极端不良的条件下，可低至10％。另外，土壤空气中的水汽含量远比大气为高，土壤空气湿度一般接近100％。在土壤中由于有机质的嫌气分解，还可能产生甲烷、碳化氢、氢等气体。土壤空气中还经常有氨存在，但数量不多。

2．土壤与大气间的气体交换 通常，土壤空气和近地面大气进行着交换，其交换有两种方式：一方面土壤空气和大气整体地进行交换；另方面是部分气体互相扩散。由于土壤温度和大气温度有一定差异，所以土壤空气的压力和大气的压力也就不同。气体总是从压力大的方向流向压力小的方向。有时大气也进入土壤孔隙中，但这不是土壤空气和大气交换的主要方式。

土壤空气和大气的交换主要是通过个别气体成分的差异（分压梯度）发生的扩散。由于土壤中氧气和二氧化碳的浓度不同，根据气体运动规律，气体总是从浓度高的地方向浓度小的地方扩大，大气中氧的浓度高，可不断进入土壤中，而土壤中由于生物等的影响，二氧化碳浓度高，不断向大气中扩散。土壤这种扩散机制，好象生物呼吸作用吸入氧气，吐出二氧化碳一样，所以把它称为“土壤呼吸作用”。

3．土壤的通气性 土壤空气与大气间的气体交换，以及土体内部允许气体扩散和流通的性能，称为土壤通气性。土壤通气性与土壤孔隙、质地结构、土壤含水量等密切相关。土壤孔隙状况是土壤空气与大气交换能否畅通的主要因素。而土壤孔隙又有毛管孔隙和非毛管孔隙之分。保持在毛管孔隙中的空气很难与大气进行交换，土壤通气性主要取决于土壤中非毛管孔隙的多少。若土壤中非毛管孔隙量超过10％，而且分布均匀时，即使毛管中充满水分，土壤通气仍然良好。土壤质地和结构与土壤中的孔隙状况有关，因而也影响到土壤的通气性。有团粒结构的土壤，通气性良好；在无结构的土壤中只有砂土有良好的通气性。粘质土的通气性差。据试验，通过团粒结构的粘壤土的空气比通过粉状粘土大25倍，比通过无结构的粘土大100倍。对高等植物来说，一般情况下，土壤空气中氧气的含量达到15％才能满足植物呼吸作用的需要，而二氧化碳含量不得高于50％。作物根系对土壤中氧气的要求因作物而异，棉花3％，玉米6％，小麦5％，大多数作物当氧含量低于5％时，根系停止生长，所以根系需氧量在5—10％以上时才能生长良好。植物生长发育，要求二氧化碳应在1％以下。如果高达5—10％则短期内会使植物死亡。此外，气候变迁，昼夜温差，生物活动等影响着土壤和近地面大气之间的气体交换。

4．土壤气体交换速率的指标 土壤通气状况是可以度量的。通常采用土壤呼吸系数，土壤氧扩散率和土壤通气量等表示。

土壤呼吸系数（RQ），是指土壤中产生二氧化碳的容积与消耗氧的容积的比率，两者容积相当时，RQ=1，如果RQ＞1，土壤中二氧化碳含量高，说明土壤通气性差。

氧扩散率（ODR），是指植物吸收，微生物活动或为水所置换时氧的补充速率，通常以每平方厘米，每分钟所扩散氧的克数（或微克）来表示。ODR是度量土壤气体交换速率的重要指标。ODR一般随土壤深度而降低，例如，当大气含O2量达21％时，96厘米土壤深处的氧扩散速率较表土层10厘米的氧扩散速率低一半。

土壤通气量是指单位时间内在单位压力下，进入单位体积土壤中的气体总量，主要是氧气和二氧化碳。常用单位是毫升每平方厘米每秒，通气量大表示通气良好。

土壤中水和气是一对矛盾，土壤中水分多了，士壤气体就少了，而且大气和土壤之间的气体交换过程也受到阻碍。如果土壤全部淹水，空气只能通过土壤孔隙水中的分子扩散进入土壤，其扩散速度要比干土慢一万倍。土壤为水饱和75分钟后，水中氧的浓度降低为其原来值的1％。土壤淹水后6—10小时内，氧气即降至接近于零。所以当土壤水分过多，通气不良时将造成一些不良效果：好气性微生物不能正常活动，只有嫌气性和兼气性微生物能够活动，这样可大大降低有机质分解速度，而且分解产物多呈还原态，对植物有毒害作用。植物根系也因氧气不足而减少呼吸能量，降低对水分和养分的吸收能力，引起缺乏营养元素等症状。所以，调节水、气矛盾，是提高土壤肥力的重要措施。　

（选自朱鹤健等编《土壤地理学》）

附2：http://news.qq.com/a/20151224/061042.htm

                                        港大教授：深圳滑坡 地下高压气体或是元凶

“12.20”深圳塌泥震惊中外，引发社会各界关注灾害发生原因。据相关部门初步认定，系由余泥渣土受纳场堆积量大、堆积坡度过陡，导致失稳垮塌引发事故。但有报道指该灾害不是天灾，而是人祸，如管理完善可避免悲剧发生，而这样的观点亦正被公众普遍接受。对此，香港大学工程学院土木工程系岳中琦教授并不认同。作为长期研究滑坡灾害的专家，他认为，深圳滑坡之所以有那么大的破坏力，泥土中的高压气体才是罪魁祸首。缺乏对高压气体防治的认知，不仅是深圳，在中国甚至世界都是普遍问题。从这个角度看，深圳滑坡灾害并不是人祸造成，而是无知导致。他表示，香港在管治滑坡方面的经验或值得内地借鉴。

附3：http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-945639.html 

一個更接近真實的地球理論與論證

海学联沙龙第十三期, 2015-12-22, 岳中琦教授

   2015年12月22日晚上, 由海学联主辦的第13期學術沙龍交流活動於海學聯會所如期舉行。此次沙龍活動邀请到香港大學土木工程系岳中琦教授舉辦了”一個更接近真實的地球理論與論證”的沙龙讲座。

   講座中岳教授首先回顧近代科學家對於地球的研究及成果,同時指出很多自然現象無法用現有的一些認識與理論進行解釋,從而引出潛心研究三十餘年的一個地球理論:地球内部高温高压的地幔和地核不停地生产出海量以甲烷为主的高压高密度气体,被球形地殼岩石阻隔, 從而在地殼與地幔之間形成一層高壓高密度甲烷氣體球圈薄層。

   岳教授通過大量事實與研究計算,論證此地殼內部高壓氣體層理論可解釋及形成如下現象:

   (1)地球45億年前形成之時, 是一個巨大的熔岩球, 表層地殼慢慢降溫形成岩石層, 高壓氣體薄層將低溫的地壳和高溫的地幔有效隔離。同時地核與地幔不斷產生的甲烷氣體張力與地殼的重力保持平衡,從而使地球能夠穩定保持球形。

   (2)甲烷與岩石中的氧元素反應,產生二氧化碳及水, 二氧化碳又在植物光合作用下, 產生氧氣。甲烷源源不斷產生, 補充地球的大氣層氣體不會因地球自轉及公轉而消耗。

   (3)地球幔核无机形成的、在壳幔界面气球圈层储存的极高压甲烷天然气体的壓力達到一個臨界值時,會通過地殼的岩石空隙進行壓力釋放,從而形成地震及火山等自然現象。現在地球上的地殼板塊連接處也是地震及火山多發區域。

   (4)油氣田及煤田則是極高壓甲烷天然氣體儲存在地表淺層的產物,且會由幔核不斷無機產生的甲烷天然氣進行補充。

   (5)若殼幔間的高壓氣體大規模的在同一時間噴出,可造成地球地殼短時間內大變化,氣候及生物發生相應改變。

   岳教授針對最近深圳滑坡事件,從土壤動能來源, 表現及危害進行分析, 通過視頻, 圖片, 事件對比, 提出深圳滑坡現象為地下高壓氣體膨脹噴出導致。論證觀點如下:

   (1)土壤之間的摩擦力很大,在無強大外力作用下, 如水等, 很難滑坡造成土壤進行大面積的位移。

   (2)根據現場視頻,滑坡時伴有巨大氣體高速沖出,夾帶土壤迅速滾落, 濃煙, 及周邊地區下雨等現象, 與歷史上的滑坡, 及雪崩現象非常相象。

   岳教授認為人類若可更真實認識,理解及研究地球和各種自然現象,則可以更有效合理預測,預防包括地震火山及滑坡在內的各種地質災害,同時也可更高效的快速探測,使用油氣等天然資源。

附4：http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C10/E5-24-01-07.pdf 

附5：http://www.cags.ac.cn/YWJX/2014/0617-1.html

新研究借助于被封闭在南非和澳大利亚石英(如图)中的氙气。

　　当我们不断把眼光扫向深空时，却意外发现身处的地球家园年龄被低估了。法国科学家通过对“时间胶囊”——封闭在石英中的古老气体研究分析发现，地球的年龄比我们原先推算的要“老”6000万年左右，而月球也是这样。

　　以往年龄的测量是对陨石采用放射测年(被测定物中某些放射性元素与其衰变产物的比率)进行的，一直以来，现代地质学和地球物理学认为地球形成于太阳系形成的1亿年后。

　　而据英国《每日邮报》在线版6月12日(北京时间)消息称，正在美国加州萨克拉门托召开的“戈尔德施密特地球化学会议”上，法国洛林大学的地球化学家宣布：一种同位素信号可以表明，地球和月球的年龄被低估了。他们的研究认为早期地球与一颗行星大小的星体发生巨大撞击的时间，大约在太阳系开始形成后4000万年——这就意味着，地球的形成进入最后阶段的时间，比此前的设想提早了大约6000万年。

　　研究人员表示，当回首进入“时间的深处”时，人们会发现早期地球上事件的发生时间很难确定。这是因为刚刚形成的地球，几乎不按“经典地质学”的常理出牌，譬如说那个时代岩层就是缺失的。因此，地球化学家们需要通过其他方法来估算早期地球事件。其中一个技术标准，就是测量从地球诞生时一直存在至今的各种气体(其同位素)的含量变化——即使这样，也只能给出一个估计值。因为“不可能给出地球形成的确切日期。至于这项研究的意义，是要证明地球的年纪比此前想象的还要大，老了6000万年左右。”洛林大学纪尧姆·阿维斯表示。

　　太阳系最古老的岩石，已可追溯到45.68亿年前，所以地球的年龄不会超过这个数字。阿维斯与同事伯纳德·马蒂分析了在南非和澳大利亚石英中的氙气，其分别可追溯至34亿年前和27亿年前，这种被封闭的古老气体就如同“时间胶囊”般一直流传下来，科学家可以利用它与目前氙气的同位素比值进行对比，用测年技术修正地球形成的时间。新数据计算发现，月球通过撞击形成的时间，比此前的设想提前了大约6000万年(±2000万年)。通过氙气信号他们计算出了地球大气的形成时间，大气层很可能是在这个地球与其他星体发生碰撞、导致月球形成的过程中出现的。

　　 　　“这似乎是一个小的差异，但却非常重要。”共同研究者马蒂表示，“正是这一差异，为行星演变的时间设了限。特别是通过这些重要的撞击，形成了现在的太阳系。”