土壤空氣及熱狀況

第五章土壤空氣和熱量狀況

掌握土壤空氣的組成與大氣組成的差異及土壤空氣運(yùn)動(dòng)的方式；了解土壤熱量的來(lái)源，掌握土壤的三個(gè)熱參數(shù)，理解土壤溫度變化的影響因素。1.土壤空氣（重點(diǎn)）2.土壤熱量3.土壤熱性質(zhì)

4.土壤溫度幻燈，動(dòng)畫(huà)演示；案例分析；主要內(nèi)容

(重點(diǎn))教學(xué)目標(biāo)與要求教學(xué)方式與手段課時(shí)數(shù)：2課時(shí)課時(shí)安排與進(jìn)度第五章土壤空氣和熱量狀況第五章土壤空氣和熱量狀況第一節(jié)土壤空氣土壤空氣的組成土壤空氣的運(yùn)動(dòng)土壤空氣與土壤肥力第一節(jié)土壤空氣§1土壤空氣的組成與植物生長(zhǎng)一、土壤空氣的組成與變化

土壤空氣與大氣組成的差異（容積%）氣體O2CO2N2惰性氣體近地面的大氣20.940.0378.550.95土壤空氣11.0-20.430.3-0.7577.8-85.84－1.含量=孔隙度-容積含水量(液相率)2.通氣良好時(shí)，與大氣差異??；通氣不良時(shí)差異變大土壤空氣和近地面大氣空氣組成的差異

1．土壤空氣中的CO2含量高于大氣 2．土壤空氣中的O2含量低于大氣 3．土壤空氣中的水汽含量一般高于大氣,接近飽和 4．土壤空氣中含有較高量的還原性氣體

如CH4，H2S,H2等土壤空氣組成不是固定不變，而是動(dòng)態(tài)的第一節(jié)土壤空氣覆膜和裸露棉田在不同生長(zhǎng)期內(nèi)土壤空氣含量(%)第一節(jié)土壤空氣

深度/cm覆膜露地05-0107-2905-0107-29CO2O2CO2O2CO2O2CO2O20－－0.915－－0.0560.056－50.15820.4971.00620.4390.7020.6490.21120.653100.42020.3971.06020.2750.10420.5130.27920.668150.25020.4860.86519.9530.13420.8570.38520.506200.48320.4781.34820.0600.15020.1210.40620.634300.57319.8651.15920.0050.31320.1811.15720.362500.92219.9291.52019.6980.40220.1981.28119.873平均0.61520.1241.26819.9530.26920.3290.84720.022土壤空氣的變化規(guī)律：第一節(jié)土壤空氣1.土層深度的增加土壤空氣中CO2含量增大，O2含量減少，無(wú)論在膜地或露地均是如此；

2.氣溫和土溫升高，根系呼吸增強(qiáng)，微生物活動(dòng)加快，有機(jī)質(zhì)分解加快導(dǎo)致土壤空氣中CO2上升，夏季CO2最高

覆膜田塊的CO-2含量明顯高于未覆稻草原露地，而O2則反之.土壤空氣中的CO2和O2的含量是相互消長(zhǎng)的，二者的總和維持在19~22%之間.3.生物活性升高，代謝加快導(dǎo)致土壤空氣中CO2上升5.pH及土壤緊實(shí)度，影響土壤生物活性及有機(jī)質(zhì)分解，進(jìn)而影響空氣組成4.含水量，適宜含水量使生物代謝加快導(dǎo)致土壤CO2上升注意：①土壤空氣對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，有許多過(guò)程和因素需進(jìn)一步研究。如土壤微生物需O2有一個(gè)很寬的范圍。②僅僅一個(gè)空氣容量指標(biāo)并不能肯定土壤是否能滿足植物和微生物對(duì)氧的需求。③土壤中CO2濃度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也有待進(jìn)一步研究?，F(xiàn)有的研究表明，某一特定植物對(duì)CO2濃度有一最佳值,過(guò)高或過(guò)低都會(huì)引起根系生長(zhǎng)衰退。過(guò)高濃度CO2往往伴隨缺O(jiān)2而造成不良后果，但一定濃度CO2對(duì)植物生長(zhǎng)也有促進(jìn)作用，而且CO2造成的土壤溶液的微酸性也有利于有些土壤養(yǎng)分的釋放.第一節(jié)土壤空氣二、土壤中的空氣流對(duì)流&擴(kuò)散第一節(jié)土壤空氣（一）對(duì)流對(duì)流，又稱(chēng)質(zhì)流由總氣壓梯度驅(qū)動(dòng)的整體流動(dòng)使氣體從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)

qv=-(k/?)

p——由土壤透氣率和氣壓梯度決定通量陽(yáng)光輻照產(chǎn)生土層升溫不均是主要?jiǎng)恿Ρ葦U(kuò)散快，受氣壓差和土壤孔度的影響（二）土壤空氣擴(kuò)散擴(kuò)散（soilairdiffusion)氣體擴(kuò)散氣體分子由高濃度(分壓)向低濃度(分壓)

運(yùn)動(dòng)，由氣體分子熱運(yùn)動(dòng)(布朗運(yùn)動(dòng))引起通量D=Do.S.l/le——通量由擴(kuò)散系數(shù)，孔隙度決定，運(yùn)動(dòng)較對(duì)流慢不同區(qū)域某一氣體分子的濃度(分壓)差是主要?jiǎng)恿Φ谝还?jié)土壤空氣二、土壤中的空氣流土壤通氣性指土壤與大氣間空氣交換及土體內(nèi)部允許氣體擴(kuò)散和對(duì)流的能力

（1）容積分?jǐn)?shù)或充氣孔隙度

（2）土壤的空氣組成(CO2和O2等的含量)——取樣代表性差（3）土壤通氣量單位時(shí)間及單位壓力下，進(jìn)入單位體積土壤的氣體總量(CO2和O2)(mlcm-2S-1)——大小標(biāo)志著土壤通氣性好壞，數(shù)值大則土壤通氣良好（4）土壤氧化還原電位（Eh）Eh由溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質(zhì)的濃度比決定,受土壤中氧氣壓或溶解氧的濃度影響,與土壤通氣性相關(guān)

——Eh指示土壤溶液中氧壓的高低反映土壤通氣狀況第一節(jié)土壤空氣三、土壤通氣性主要指標(biāo)土壤通氣性的影響因素及調(diào)節(jié)1、土壤水分含量占用孔隙—調(diào)節(jié)排水2、土壤孔隙結(jié)構(gòu)決定孔度及配比—改良土壤結(jié)構(gòu)3、土壤溫度及外界氣流決定與外界的氣壓差—覆蓋或土壤改良4、有機(jī)質(zhì)含量及生物活動(dòng)改變氣體組成—調(diào)節(jié)生物活性5、人類(lèi)活動(dòng)及管理干擾或改良土壤—科學(xué)管理,合理利用土壤第一節(jié)土壤空氣三、土壤通氣性(soilaeration)旱作土壤，中耕松土，深耙勤鋤，打破土表結(jié)殼，疏松耕層水田土壤，落水曬田、曬垡，擱田及調(diào)整農(nóng)田底土的下滲速率

課堂測(cè)驗(yàn) 1、土壤空氣質(zhì)量的好壞關(guān)鍵不在其含量而于其質(zhì)量() 2、土壤空氣和大氣某些組成含量有差異，其他則是相同的() 3、土壤空氣是水汽飽和的() 4、土壤空氣中的CO2的數(shù)量是越低越好() 5、土壤空氣的組成是時(shí)刻變化的() 6、土壤水分含量的變化導(dǎo)致土壤通氣性的變化() 7、土壤和土壤空氣是矛盾的，永遠(yuǎn)無(wú)法調(diào)和的() 8、在土壤通氣性中，對(duì)流比擴(kuò)散更重要() 9、土壤通氣的好壞主要受含水量和結(jié)構(gòu)性的影響()第一節(jié)土壤空氣（一）太陽(yáng)的輻射能太陽(yáng)常數(shù) 垂直于太陽(yáng)光下1cm2的黑體表面1min內(nèi)吸收的輻射能

1.9K/cm2/min。

99％的太陽(yáng)能在0.3-4.0微米波長(zhǎng)內(nèi)這一范圍波長(zhǎng)通常稱(chēng)為短波輻射

當(dāng)太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，熱量部分被大氣吸收散射，部分被云層和地面反射，土壤吸收其中一少部分第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡（soilheat）一、土壤熱量來(lái)源（二）生物熱據(jù)估算，含有機(jī)質(zhì)4％的土壤，每m2耕層有機(jī)質(zhì)的潛能為6.28×109～6.99×109KJ，相當(dāng)于燃燒4.94～12.36kg無(wú)煙煤可用于升高低溫，促進(jìn)早春出苗或返青（三）地球內(nèi)熱核能-但除個(gè)別淺表地?zé)峥芍苯永玫貐^(qū)外，對(duì)土壤熱量影響不大第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡（soilheat）一、土壤熱量的來(lái)源（一）地面輻射平衡太陽(yáng)直接輻射（I）少部分透過(guò)大氣層直接到地表的太陽(yáng)能大氣輻射（H）又稱(chēng)為天空輻射能被大氣、云層散射和反射的太陽(yáng)輻射能，經(jīng)多次散射和反射，其中的一部分輻射到地表地面向天空的熱輻射（E）土壤升溫后向大氣的長(zhǎng)波輻射大氣向土壤的熱輻射（G）大氣升溫后向土壤的長(zhǎng)波輻射第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡（soilheat）二、土壤表面的輻射平衡及影響因素

I+H之和為投入地面的太陽(yáng)總短波輻射，又稱(chēng)為環(huán)球輻射短波輻射地面反射(I+H)a

地面直接反射的短波輻射

（二）影響地面輻射平衡的因素

1、太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度日照角越大,坡度越大,地面接受的太陽(yáng)輻射越多在中緯度地區(qū),南坡坡地每增加1度,約相當(dāng)于緯度南移100公里所產(chǎn)生的影響同樣,在中緯度地區(qū),南坡比北坡接受的輻射能多,土溫也比北坡高;坡度越陡,坡向的溫差越大;這種差異具有巨大的生態(tài)意義和農(nóng)業(yè)意義。2、地面的反射率太陽(yáng)的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的顏色、粗糙程度、含水狀況，植被及其他覆蓋物等都影響反射率第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡二、土壤表面的輻射平衡及影響因素

（二）影響地面輻射平衡的因素

3、地面有效輻射影響地面有效輻射的因子有：（1）云霧、水汽和風(fēng)：能強(qiáng)烈吸收和反射地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，使大氣逆輻射增大，因而使地面有效輻射減少；（2）海拔高度：空氣密度、水汽、塵埃隨海拔高度增加而減少，大氣逆輻射相應(yīng)減少，有效輻射增大;（3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面輻射面大，有效輻射也大；（4）土壤組成,性質(zhì):,有機(jī)質(zhì)含量高,含水多則熱容大（5）地面覆蓋：可減少吸熱與放熱，導(dǎo)熱性差的物體如秸桿等覆蓋可減少地面的有效輻射,深色物質(zhì)促進(jìn)吸熱第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡1.輻照量不等于熱量積累2.氣象條件、海拔和緯度共同作用決定積溫土壤熱量收支平衡可用下式表示：

S=QPLE+RS為土壤在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際獲得或失掉的熱量Q為輻射平衡LE為水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結(jié)而造成的熱量損失或增加P為土壤與大氣層之間的湍流交換量R為土面與土壤下層之間的熱交換量

第二節(jié)土壤熱性質(zhì)及熱平衡三、土壤的熱量平衡土壤熱容量(Cv)單位質(zhì)量/容積土壤每升高/降低1℃吸收/放出的熱量

Cp—重量熱容-單位J/(g.K)Cv—容積熱容—單位J/(cm3.K)

Cv=Cp×ρb請(qǐng)注意礦物顆粒,有機(jī)質(zhì),空氣和水的熱容量值

見(jiàn)

課本83頁(yè)表5-2調(diào)節(jié)水分含量是調(diào)節(jié)土壤熱容最容易最有效的方法 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)一、土壤熱容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)

第三節(jié)土壤熱性質(zhì)一、土壤熱容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)常見(jiàn)土壤組分的熱容量砂土含水量一般比黏土小，而空氣含量較高，熱容量一般比黏土較低土壤熱容隨土壤容重和含水量的增加而增大，黏土比例上升熱容升高利用客土法可以改變土壤熱容，但收效慢導(dǎo)熱性:

土壤具有對(duì)所吸熱量傳導(dǎo)到鄰近土層性質(zhì)，稱(chēng)為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性大小用導(dǎo)熱率表示導(dǎo)熱率:heatconductivity,thermalconductivity

在單位厚度(1cm)土層,溫差為1℃時(shí),每秒鐘經(jīng)單位斷面(1cm2)通過(guò)的熱量焦耳數(shù)()單位J.cm-2.s-1.℃-1。

第三節(jié)土壤熱性質(zhì)二、土壤導(dǎo)熱率水是熱的良導(dǎo)體空氣是熱的不良導(dǎo)體因此水分多導(dǎo)熱性好，空氣多導(dǎo)熱性差土壤缺水，土粒間孔隙被空氣占據(jù)，導(dǎo)熱率降低土壤濕潤(rùn)，土粒間孔隙被水分占領(lǐng)，導(dǎo)熱率升高 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)二、土壤導(dǎo)熱率 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)二、土壤導(dǎo)熱率土壤熱擴(kuò)散率標(biāo)準(zhǔn)狀況下,土層垂直方向上每cm距離內(nèi)，1℃溫度梯度下，每秒流入1cm2土壤斷面面積的熱量,單位體積(1cm3)土壤所發(fā)生的溫度變化.大小等于土壤導(dǎo)熱率/容積熱容量的比值上式中:為土壤導(dǎo)熱率，

Cv為土壤容積熱容量。 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)三、土壤的熱擴(kuò)散率四、土壤熱狀況月變化 第三節(jié)土壤熱性質(zhì) 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)四、土壤熱狀況季節(jié)變化四、土壤熱狀況不同深度日變化 第三節(jié)土壤熱性質(zhì)（一）海拔高度對(duì)土壤溫度的影響隨著高度的增加，山區(qū)土溫比平地低（二）坡向與坡度對(duì)土壤溫度的影響

①坡地接受的太陽(yáng)輻射因坡向和坡度而不同；②不同的坡向和坡度上，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度不一樣，土壤水和植物覆蓋度有差異，土溫高低及變幅也就迥然不同。南坡的土壤溫度和水分狀況可以促進(jìn)早發(fā)、早熟。（三）土壤的組成和性質(zhì)對(duì)土壤溫度的影響

土壤顏色深，吸收的熱量多，淺色的土壤吸收的輻射熱量小而反射率較高；在極端情況下顏色差異可使不同土壤同一時(shí)間的土表溫度相差2－4℃，園藝栽培中或農(nóng)作物的苗床中，有的在表面覆蓋一層爐碴、草木灰或土雜肥等深色物質(zhì)以提高土溫。第四節(jié)土壤溫度(Soiltemperature)地形地貌和土壤性質(zhì)對(duì)土溫的影響

一般在通氣良好的土壤中，植物根系長(zhǎng)、顏色淺、根毛多；而缺氧則會(huì)阻礙根系伸長(zhǎng)和側(cè)根萌生，根系短而粗，顏色暗，根毛大量減少。 據(jù)北京農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站對(duì)棉花地的觀測(cè)，結(jié)果表明：土壤空氣中O2和CO2含量維持在21%左右，O2占其中85%以上時(shí)棉花根系發(fā)育良好；當(dāng)O2占70%以上時(shí)根系能正常生長(zhǎng)；而CO2占60%以上時(shí)，根系生長(zhǎng)完全停止第四節(jié)土壤溫度(Soiltemperature)地形地貌和土壤性質(zhì)對(duì)土溫的影響土壤空氣氧濃度臨界值(Vol%)第四節(jié)土壤溫度(Soiltemperature)土壤空氣與溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響作物O2臨界值

作者大麥7%~10%Geisler1969玉米14%Geisler1969豌豆20%Ammore,1961,Geisler1969棉花10%Tacket1964谷類(lèi)胚芽10%Gill19561.根系生長(zhǎng)發(fā)育2.種子萌發(fā)3.養(yǎng)分和水分4.植物抗病性5.微生物活動(dòng)1、土壤含水量愈低，其熱容量越小，導(dǎo)熱率愈低土壤升溫越快()2、灌溉可降低土壤表層土的晝夜溫差。()3、中耕松土