摘要：土壤气体渗透性（亦称土壤导气率、空气传导特性）是表征气体在土壤孔隙中迁移能力的核心参数，直接反映了土壤中无水孔隙的连通性状况，在非饱和土力学、农业土壤管理、环境工程及岩土工程等领域具有重要的基础性地位。与土壤饱和导水率的测定相比，土壤气体渗透性的测定对土体结构破坏小、测试过程快速高效，且能充分反映土壤孔隙和土壤结构的真实特征。
基于达西定律的稳态气流法，通过在土壤表面放置密封测量室，向其中通入已知流量的气流并测定由此产生的压力梯度，可在田间原位条件下快速获取土壤的空气传导特性参数。该系统量程覆盖0.003~3 cm/s，可在2秒内达到稳定状态，并支持与土壤水分传感器和土壤水势传感器的联用，实现土壤气体渗透性与水分状况的同步测定。
本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为土壤物理、农业工程及岩土工程领域的技术人员提供参考。

1. 土壤气体渗透性测定方法的技术比较与选型指南
1.1 土壤气体渗透性的物理意义与测定方法概述

土壤气体渗透性（air permeability，亦称导气率）反映了气体在土壤孔隙中迁移的难易程度，是土壤中无水孔隙连通性的直接度量。与土壤水分运动不同，气体在土壤中的迁移不受土壤颗粒表面吸附力的显著影响，因此气体渗透性的测定能更直接地反映土壤孔隙结构的几何特征。

土壤气体渗透性受多种因素影响。土壤质地是基础性因素——砂质土的透气性优于黏质土；土壤结构同样关键，结构良好的土壤透气性优于结构不良的土壤；土壤含水量是最重要的动态影响因素，水分含量的增加会堵塞孔隙通道，导致气体渗透性显著下降。此外，土壤容重、温度、大气压力等也对气体渗透性产生不同程度的影响。

目前，土壤气体渗透性的测定方法按测试场景可分为室内法和田间原位法两大类，按气流状态可分为稳态法和瞬态法：

室内法通常将采集的原状土样或重塑土样装入土柱管中，在一维条件下进行测量。室内法的优势在于条件可控、重复性好，但采样过程可能破坏土壤的原位结构，尤其是对大孔隙和裂隙的扰动难以避免。

田间原位法则在自然条件下进行测量，能真实反映土壤在原始状态下的气体渗透特性。根据测量方式的不同，田间原位法又可分为埋入式探针法、井孔法和表面测量室法等多种技术路线。其中，表面测量室法通过在土壤表面放置密封测量室并通入已知流量的气流，根据产生的压力梯度计算气体渗透性，是目前应用较为广泛的田间原位测定方法之一。

1.2 稳态法与瞬态法的技术比较

土壤气体渗透性的测定方法可按气流状态分为稳态法和瞬态法两大类：

稳态法通过向土壤中持续通入恒定流量的气体，待压力梯度达到稳定状态后，根据达西定律计算渗透系数。其核心优势在于：压力梯度稳定后可获得高精度的测量结果；测量结果可直接应用达西定律进行计算，理论清晰；适用于宽范围的土壤类型和渗透性条件。但稳态法需要等待系统达到真正的稳定状态，对于渗透性较低的土壤可能需要较长的平衡时间。

瞬态法通过向土壤中注入一定量的气体后关闭气源，监测压力随时间的衰减过程，根据压力衰减曲线计算渗透系数。其优势在于测试时间短、用水量少，尤其适用于渗透性较低的土壤。然而，瞬态法的数据处理相对复杂，且对传感器的响应速度有较高要求。

1.3 表面测量室法的技术原理

表面测量室法（Surface Chamber Method）是目前田间原位测定土壤气体渗透性的主流技术路线之一。其核心原理可概括为以下步骤：

在选定的测点位置，将一个已知体积的密封测量室紧密贴合于土壤表面，确保测量室与土壤之间无侧向漏气。通过供气系统向测量室中通入已知流量的气流（通常为可设定的恒定流量），气流在压力驱动下通过测量室底部的土壤向周围环境渗流。测量室内的压力传感器实时监测因气流通过土壤而产生的压力梯度。

在相同的供气流量下，不同土壤产生的压力梯度不同——渗透性好的土壤，气体容易通过，压力梯度小；渗透性差的土壤，气体通过困难，压力梯度大。通过将实测压力梯度与已知渗透性的标准参照进行比较，即可获得测点土壤的空气传导特性。

空气传导特性（通常以PL值表示）反映了土壤颗粒中无水孔隙的性状，是土壤含水量的函数。根据达西定律及实测的流量和压力梯度参数，可计算出土壤的气体渗透系数，并直接在仪器上显示。

1.4 选型要点与选购指南

在选用土壤气体渗透性测定设备时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

量程与适用土壤类型：气体渗透系数的测定范围应覆盖研究区域的土壤类型。典型量程为0.003~3 cm/s，可满足从黏质土到砂质土的宽范围测定需求。对于渗透性极低的土壤，应关注设备在低量程段的测量精度。

测量模式与自动化程度：优先选择具备稳态测量模式、测量压力范围1~3 hPa、稳定时间短（典型值2秒）的系统。快速稳定的系统可显著提高野外多点位测量的效率。

多参数联测能力：土壤气体渗透性与土壤含水量密切相关。具备土壤水分和土壤水势同步测量功能的系统，可在测定气体渗透性的同时获取土壤水分状况数据，为数据的合理解释提供关键支撑。

系统集成度与便携性：野外作业对设备的便携性和集成度要求较高。优先选择将主机系统、传感器、标定装置等集成于一体、设计紧凑的系统。

数据存储与管理：内置数据存储功能（典型值1000次测量）和便捷的数据导出方式是野外长期监测的重要保障。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 测试前的准备工作

测点选择与地表处理：选择具有代表性的测试点位，确保地表相对平整、无大的裂隙或明显扰动。清除地表杂草、枯落物和松散的表土，使测量室能够与土壤表面紧密贴合。对于表层土壤过于疏松或结构不均匀的情况，应适当平整但避免过度压实。

土壤水分状况的记录：土壤含水量是影响气体渗透性的最关键因素之一。建议在每次气体渗透性测定之前或之后，使用配套的土壤水分传感器同步测量测点附近土壤的含水量。如需获取土壤水势数据，可同步使用土壤水势传感器进行测量。

设备检查与标定：检查测量室的密封圈是否完好、无老化开裂；确认供气系统工作正常、无泄漏；使用标定装置对系统进行必要的校准验证。

2.2 标准操作流程

第一步——测量室安装：将测量室（直径72 mm）垂直放置于选定的测点土壤表面。轻轻按压测量室，使其与土壤表面紧密接触。对于需要测量特定深度土壤气体渗透性的研究，可使用土样环采集表层土样后在室内进行测量。

第二步——系统连接与密封检查：将测量室与主机系统连接，确认各管路连接牢固。启动供气系统，通入少量气体，检查测量室与土壤之间的密封性——如密封良好，测量室内压力应能维持稳定。

第三步——气流设定与测量：通过主机系统设定目标气流速率。系统向测量室中通入已知流量的气体，压力传感器实时监测测量室内的压力变化。气体通过测量室底部的土壤向周围环境渗流，在测量室内形成一定的压力梯度。

第四步——数据采集与记录：系统在2秒内达到稳定状态后，自动记录稳定压力梯度数据。根据达西方程及实测的流量和压力梯度参数，系统自动计算并显示土壤的气体渗透系数。数据自动保存至内置存储器中。

第五步——多测点重复测量：在同一研究区域内，按照实验设计在不同点位重复上述测量流程。建议每个处理或样地至少设置3~5个重复测点。

第六步——设备清理：每次测量结束后，清洁测量室和土样环上附着的土壤，检查密封圈状态。

2.3 操作经验与注意事项

• 密封性是测量精度的首要保障：测量室与土壤表面之间的侧向漏气是气体渗透性测定中最常见的误差来源。应确保测量室与土壤表面紧密贴合，密封圈完好无损。

• 土壤含水量的同步记录至关重要：气体渗透性是土壤含水量的强函数。脱离含水量数据的气体渗透性测量值缺乏可比性。建议在每次气体渗透性测定时同步记录土壤含水量，并建立“含水量-气体渗透性”的关系曲线。

• 层流条件的确认：根据达西定律计算气体渗透系数要求气流处于层流状态。建议在正式测量前进行预实验——从小到大至少进行3次不同流量的试验，在以流量为横轴、压力为纵轴的坐标系中，如果数据点能够近似拟合成一条过原点的直线，则表明气流符合达西定律，可采用达西方程计算渗透系数。

• 温度与大气压力的记录：气体的密度和黏滞系数受温度和大气压力影响。建议在记录中注明测试时的环境温度和大气压力。

• 数据存储与管理：系统内置的数据存储功能可保存1000次测量数据。建议定期导出数据并进行备份，建立长期监测数据库。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 表面测量室法的仪器化与集成化

表面测量室法作为测定土壤气体渗透性的经典方法，其早期应用多依赖自制装置，存在操作繁琐、精度有限等局限。将表面测量室法原理与精密压力传感器、可调流量控制阀、内置微电脑数据采集系统相结合的集成化仪器，使这一方法从实验室研究手段转变为标准化的田间快速测定工具。

相比传统的简易装置，集成化系统的技术突破体现在以下方面：

• 气流的精确控制：通过可调流量控制系统提供已知的、可设定的恒定气流，消除了手动调节带来的流量波动。

• 压力的自动监测：高精度压力传感器实时监测测量室内的压力梯度，避免了人工读数的误差。

• 数据的自动计算与存储：内置微电脑根据达西方程自动计算气体渗透系数并显示，数据自动保存至内置存储器中。

• 系统的高度集成：将主机系统、测量室、标定装置等集于一体，设计紧凑，便于野外携带和快速部署。

3.2 多参数同步测定技术

土壤气体渗透性并非孤立存在的土壤物理参数，它与土壤水分状况、土壤水势等参数密切相关。多参数同步测定技术的核心价值在于：在同一测点、同一时间获取气体渗透性、土壤含水量和土壤水势等多维数据，为深入理解土壤孔隙结构-水分状况-气体传输之间的耦合关系提供数据支撑。

在具体实现上，气体渗透性测定系统可通过配置快速接头，灵活连接电子张力计（用于测量土壤水势）和时域反射（TDR）土壤水分传感器（用于测量土壤含水量）。所有传感器采集到的数据统一保存到系统内置的微电脑中，确保了数据在时间轴上的严格同步。

3.3 基于导气率的土壤孔隙结构研究

土壤气体渗透性的测定不仅是获取一个物理参数，更是研究土壤孔隙结构的重要手段。研究表明，土壤导气率的获取简单、快速、高效，且对土壤结构破坏小，能够充分反映土壤孔隙和土壤结构的真实特征。

利用气体渗透性测定系统，研究者可针对不同含水率、不同容重条件下的原状土与扰动土进行导气率测量，进而展开对土壤孔隙结构及弯曲连通性的定量讨论。通过建立导气率与孔隙结构参数之间的关系，可间接获取土壤孔隙的大小分布、连通性和弯曲度等信息，为土壤质量评价和土地管理提供科学依据。

3.4 技术发展趋势

当前，土壤气体渗透性测定技术正呈现以下发展趋势：

从室内向田间原位发展：从实验室土柱测量向田间原位快速测定发展，最大限度地保持土壤的原位结构。

从单参数向多参数联测发展：从单一的气体渗透性测量向与土壤水分、水势、温度等多参数同步测定发展。

从稳态法向稳态-瞬态融合发展：结合稳态法和瞬态法的各自优势，开发更高效、更广泛的测定方法。

从一维向三维发展：从传统的一维土柱测量向三维原位测量发展，更真实地反映田间土壤的实际气体传输特征。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准

标准编号	名称	与本方法的关系
ASTM D6539-2013	Standard Test Method for Measurement of the Permeability of Unsaturated Porous Materials by Flowing Air	采用流动空气测量未饱和多孔材料渗透性的标准试验方法
DIN 19682-9:2011-04	Soil quality - Field tests - Part 9: Determination of air permeability	德国标准，规定了土壤空气渗透性的田间测定方法

ASTM D6539-2013是土壤气体渗透性测定领域最权威的国际标准之一。该标准适用于多孔材料（如土壤）中空气的一维层流（黏性流）渗透性的实验室测定。标准规定：计算渗透性需满足通过试样的层流条件，可通过绘制空气体积流量与压力降的关系图来评估——如果各测试点位于通过原点的直线的25%范围内，则表明存在层流条件，可使用达西定律计算渗透性。标准还指出，试样的饱和度应低于在施加梯度下产生显著孔隙水内部迁移或改变空气孔隙连续性的程度。

DIN 19682-9:2011-04是德国标准化协会（DIN）发布的土壤质量田间试验系列标准之一。该标准规定了土壤空气渗透性的测定方法，用于评估土壤空气与自由空气交换的可能性（即土壤呼吸）。标准指出，土壤呼吸由土壤中孔隙的大小、形状和连续性决定，并取决于土壤的质地、结构和次生孔隙形态。

4.2 国内相关标准与规范

目前，国内尚未发布专门针对土壤气体渗透性测定的国家标准。在实际科研工作中，土壤气体渗透性的测定通常参考以下规范：

• GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》 ：虽未专门规定气体渗透性测定方法，但提供了土壤基本物理性质（含水率、密度、孔隙比等）的测定方法，这些参数是气体渗透性计算和分析的基础。

• 土工试验规程中关于渗透系数的测定：提供了液体渗透系数测定的方法学框架，其理论体系（达西定律）与气体渗透性测定相通。

在压实黏土、土工膜、膨润土防水毯等工程材料的气体有效渗透率测试方面，部分行业规范已提供了相应的测试方法。

4.3 标准中的关键技术要求与应用指引

综合国内外标准，土壤气体渗透性测定的关键技术要求包括：

• 层流条件的确认：气流应处于层流状态方可应用达西定律。建议通过多流量试验验证层流条件。

• 饱和度的控制：试样饱和度应低于在施加梯度下产生显著孔隙水内部迁移的程度。

• 渗透性与含水量的关系：气体渗透性强烈依赖于土壤含水量。测定结果应配合含水量数据进行解读。

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

土壤渗透性测试仪器市场保持稳定增长态势。据市场研究机构统计，2024年全球土壤渗透性测试仪器市场规模保持增长，预计未来将持续保持平稳增长。全球土壤测试设备市场2025年估值约69亿美元，预计2032年将达158亿美元。

在土壤气体渗透性测定设备的细分市场中，随着非饱和土力学研究的深入和农业土壤管理的精细化发展，相关设备的需求持续增长。中国作为全球重要的农业大国和工程建设大国，对土壤气体渗透性测定设备的需求稳步提升。

5.2 需求驱动力

非饱和土力学与岩土工程：气体渗透性是非饱和土力学研究中的重要参数，在边坡稳定性分析、填埋场覆盖层设计、地下工程通风等领域具有重要应用价值。

农业土壤管理与耕作措施优化：土壤气体渗透性反映了土壤的通气状况，是评价土壤耕性的重要指标。通过测定不同耕作措施下土壤气体渗透性的变化，可评估耕作方式对土壤结构的影响。

环境工程与土壤修复：在生物通风修复、土壤气体监测、 landfill 覆盖层性能评估等环境工程领域，土壤气体渗透性是关键的设计参数。

气候变化与土壤温室气体研究：土壤气体渗透性影响土壤中CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的产生和排放，是土壤-大气温室气体交换研究的基础参数。

5.3 技术发展趋势

未来，土壤气体渗透性测定仪器市场将呈现以下趋势：

原位化与现场化：从室内取样测定向田间原位快速测定发展，设备趋向轻量化、便携化。

多参数集成化：从单一的气体渗透性测量向与土壤水分、水势、温度等多参数同步测定发展。

自动化与智能化：从手动操作向自动流量控制、自动数据采集与计算方向发展。

标准化与规范化：随着更多国家和国际标准的制定与完善，设备性能和测试方法的标准化程度将不断提升。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握土壤气体渗透性测定的原理与操作技能，以下培训与学习资源可供参考：

推荐培训主题：《土壤气体渗透性田间原位测定技术：原理、操作与数据解析》

核心内容建议：

1. 土壤气体渗透性的物理意义——从达西定律到气体渗流理论

2. 稳态法与瞬态法的技术比较与适用场景分析

3. 表面测量室法的工作原理——恒定气流下的压力梯度测量

4. 田间原位测量的全流程操作演示（测点选择、测量室安装、数据采集）

5. 层流条件的验证方法——多流量试验与达西定律符合性判断

6. 土壤含水量对气体渗透性的影响规律与数据校正方法

7. 多参数联测的策略——气体渗透性、土壤水分与土壤水势的同步测定

8. 常见问题解析（密封漏气、压力不稳定、数据异常等）

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

土壤孔隙结构与弯曲连通性研究：利用气体渗透性测定系统对不同含水率、不同容重条件下的原状土与扰动土进行导气率测量，展开针对土壤孔隙结构与弯曲连通性的定量讨论。

不同土地利用方式下的土壤通气性比较：通过测定林地、草地、农田等不同土地利用方式下土壤气体渗透性的差异，评估土地利用变化对土壤结构和通气功能的影响。

耕作措施对土壤结构的影响评价：对比不同耕作方式（如免耕、深松、常规翻耕）下土壤气体渗透性的变化，评估耕作措施对土壤结构的改善或破坏效应。

土壤改良效果评价：通过测定有机质添加、结构改良剂施用等措施实施前后土壤气体渗透性的变化，评估改良措施对土壤通气状况的改善效果。

非饱和土水力特性研究：利用气体渗透性与饱和导水率之间的良好相关性，通过测定气体渗透性间接获取土壤饱和导水率的相关信息。

土壤压实评估：土壤压实会导致孔隙减少、气体渗透性下降。通过测定不同压实程度下土壤气体渗透性的变化，可评估农业机械作业对土壤的压实效应。

7.2 数据质量控制要点

密封性的严格保障：测量室与土壤表面之间的密封性是数据质量的首要控制因素。应在每次测量前检查密封圈状态，安装后通过预通气验证密封效果。

层流条件的验证：应根据达西定律的要求验证气流是否处于层流状态。建议定期进行多流量试验，确认流量-压力关系呈线性且过原点。

土壤含水量的同步测定与记录：气体渗透性对土壤含水量高度敏感。应在每次测定时同步记录土壤含水量，并在数据报告中明确标注。

测点代表性的保障：土壤气体渗透性存在显著的空间变异性。建议每个处理或样地至少设置3~5个重复测点，取平均值进行统计分析。

环境条件的记录：应在记录中注明测试时的温度、大气压力等环境条件，以便在跨时间比较时进行必要的校正。

设备的定期校准：建议定期使用标定装置对系统进行校准验证，确保流量控制和压力测量的准确性。

7.3 方法学注意事项

• 气体渗透性与水分渗透性的区别：气体渗透性反映的是土壤中充气孔隙的连通性，而水分渗透性反映的是充水孔隙的连通性。两者虽有一定相关性，但并非简单的对应关系。

• 土壤扰动的影响：即使是“原位”测量，测量室的安装和按压过程也可能对表层土壤产生一定的压实效应。在数据解释时应注意这一潜在的系统性影响。

• 测量尺度的考量：表面测量室法的测量尺度通常为数十平方厘米，相对于田间尺度而言较小。应根据研究目的和土壤变异程度合理设置测点数量和空间布局。

• 温度效应的校正：气体的黏滞系数随温度变化而变化。在跨温度条件的比较中，应考虑进行温度校正。

结语：基于稳态气流法的表面测量室技术，通过在土壤表面放置密封测量室并通入已知流量的气流，根据产生的压力梯度快速测定土壤的气体渗透性，为田间原位评估土壤孔隙结构与通气状况提供了高效的技术手段。该技术量程覆盖0.003~3 cm/s，可在2秒内达到稳定状态，并支持与土壤水分传感器和土壤水势传感器的联用，实现气体渗透性与水分状况的同步测定。土壤气体渗透性作为反映土壤中无水孔隙连通性的核心参数，在非饱和土力学研究、农业土壤管理、环境工程及岩土工程等领域具有广泛的应用价值。随着田间原位测定技术在土壤物理学和相关工程领域的重要性不断提升，土壤气体渗透性测定将在土壤结构评价、耕作措施优化和工程设计中发挥越来越重要的作用。