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頁，共三十四頁，2022年，8月28日土壤空氣與近地表大氣組成，主要差別：

（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）土壤空氣中水汽含量一般高于大氣（4）土壤空氣中含有較多的還原性氣體表6－1土壤空氣與大氣組成差異氣體O2(%)CO2(%)N2(%)其它氣體(%)近地表大氣20.940.0378.050.98土壤空氣18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、土壤空氣含量

土壤空氣含量=總孔度-水分容積百分率

土壤空氣的組成不是固定不變的，土壤水分、土壤生物活動、土壤深度、土壤溫度、pH值，季節(jié)變化及栽培措施等都會影響土壤空氣變化。隨著土壤深度增加，土壤空氣中CO2含量增加，O2含量減少，其含量相互消長。

第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、土壤空氣與作物生長

1、土壤空氣與根系若土壤空氣中O2的含量小于9％或10％，根系發(fā)育就會受到影響，O2含量低至5％以下時，絕大多數(shù)作物根系停止發(fā)育。O2與CO2在土壤空氣中互為消長，當CO2含量大于1％時，根系發(fā)育緩慢，至5～20％，則為致死的含量。土壤空氣中還原性氣體，也可使根系受害，如H2S使水稻產(chǎn)生黑根，導致吸收水肥能力減弱，甚至死亡。第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、土壤空氣與種子萌發(fā)種子萌發(fā)，所需氧氣主要由土壤空氣提供，缺氧時，葡萄糖酒精發(fā)酵，產(chǎn)生酒精，使種子受害。3、土壤空氣與微生物活動（1）土壤空氣影響微生物活動，影響有機質轉化。通氣良好利于有機質礦質化。（2）根系吸收養(yǎng)分，需通氣良好條件下的呼吸作用提供能量。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日4、土壤空氣狀況與作物抗病性（1）植物感病后，呼吸作用加強，以保持細胞內(nèi)較高的氧水平，對病菌分泌的酶和毒素有破壞作用。（2）呼吸提供能量和中間產(chǎn)物，利于植物形成某些隔離區(qū)阻止病斑擴大。（3）傷口呼吸增強，利于傷口愈合，減少病菌侵染。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日四、土壤空氣與大氣痕量溫室氣體的關系

大氣中痕量溫室氣體（CO2、CH4、N2O、氯氟烴化合物）導致的氣候變暖，是人們關注的重大環(huán)境問題。土壤向大氣釋放溫室氣體，因此說土壤是大氣痕量溫室氣體的源。土壤對大氣中溫室氣體的吸收和消耗，稱為匯。第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日土壤通氣性調(diào)節(jié)土壤通氣性主要取決于通氣孔度，對于一般旱作而言，土壤通氣孔度不少于10%。土壤通氣性調(diào)節(jié)措施分為兩類：（1）排除過多的土壤水分排水措施：明溝排水(ditchdrainage)和暗溝排水(tiledrainage)（2）土壤結構的改善與水旱輪作此外,還有對于旱地：中耕松土、深耙勤鋤、破除地表板結對于水田：干耕、曬垡、擱田、烤田等

依據(jù)土壤選擇作物：紫花苜蓿、果樹、森林樹木及其它深根性植物需要深厚的通氣良好的土壤。禾本科牧草、雜三葉草及三葉草等淺根作物可在心土通氣不良條件下生長。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日五、土壤空氣的運動

1、土壤空氣的對流（整體交換）

土壤與大氣間由總壓力梯度推動的氣體整體流動，也稱質流。對流由高壓區(qū)低壓區(qū)。第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日總壓力梯度的產(chǎn)生：氣壓變化、溫度梯度、土壤表層風力、降水或灌溉等。

qv--空氣的容積對流量（單位時間通過單位橫截面積的空氣容積）“-”--表示方向k--通氣孔隙通氣率η--土壤空氣的粘度p--土壤空氣壓力的三維（向）梯度從公式可見

空氣對流量隨土壤透氣率和氣壓梯度增加而增大土壤對流公式：qv=-(k/η)▽p第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、土壤空氣的擴散在大氣和土壤之間CO2和O2濃度的不同形成分壓梯度，驅使土壤從大氣中吸收O2，同時排出CO2的氣體擴散作用，稱為土壤呼吸。是土壤與大氣交換的主要機制。土壤中CO2和O2的擴散過程分氣相、液相兩部分。通過充氣孔隙擴散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用通過不同厚度水膜的擴散兩種擴散都可以用費克(Fick)定律表示：

qd=-Ddc/dx

氣相擴散液相擴散第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日式中：qd--擴散通量(單位時間通過單位面積擴散的質量)；dc/dx--濃度梯度；D--在該介質中擴散系數(shù)(其量綱為面積/時間)

從公式可見，氣體擴散通量(qd)與其擴散系數(shù)(D)和濃度梯度(dc/dx)或分壓梯度(dp/dx)成正比。濃度梯度是不易控制因素，所以只有調(diào)整擴散系數(shù)D來控制氣體擴散通量。

擴散系數(shù)D值的大小取決于土壤性質，通氣孔隙狀況及其影響因素(質地、結構、松緊程度、土壤含水量等D=D0·S·l/le第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日式中：D0--自由空氣中的擴散系數(shù)S--未被水分占據(jù)的孔隙度

l--土層厚度

le--氣體分子擴散通過的實際長度

l/le和S的值都小于1結構良好土壤中，氣體在團聚體間大孔隙間擴散，而團聚體內(nèi)小孔隙則較長時間保持或接近水飽和狀態(tài)，限制團聚體內(nèi)部通氣性狀。所以緊實大團塊，即使周圍大孔隙通氣良好，在團塊內(nèi)部仍可能是缺氧。所以通氣良好的旱地也會有厭氣性微環(huán)境。

第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日六、土壤通氣指標1土壤孔隙度總孔隙度50～55%或60%，其中通氣孔度要求8～10%，最好15～20%。使土壤有一定保水能力又可透水通氣。2土壤呼吸強度單位時間通過單位斷面（或單位土重）的CO2數(shù)量土壤呼吸強度不僅作為土壤通氣指標，而且是反映土壤肥力狀況的一個綜合指標。3土壤透水性4土壤氧化還原電位第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

第二節(jié)土壤熱量一、土壤熱量來源

1太陽輻射能土壤熱量的最根本來源。太陽能的99%為短波輻射。當太陽輻射通過大氣層時，一部分熱量被大氣吸收散射，一部分被云層和地面反射，而土壤只吸收其中一少部分。第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日微生物分解有機質過程是放熱過程。釋放的熱量一部分作為微生物能源，大部分用來提高土溫。在保護地的栽培和早春育秧中，施用有機肥并添加熱性物質，如半腐熟的馬糞等，可促進植物生長或幼苗早發(fā)快長。

2生物熱3地熱地殼傳熱能力差，對土壤溫度影響極小，可忽略不計

第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日地面輻射平衡

二、土壤表面的輻射平衡及影響因素二、土壤表面的輻射平衡及影響因素第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

1、地面輻射平衡

太陽直接短波輻射(I)地面短波反射(I+H)×α天空(大氣)短波輻射(H)地面長波輻射E逆輻射(長波輻射)(G)I+H-投入地面的太陽總短波輻射(環(huán)球輻射(I+H)×α-被地面反射出的短波輻射，(α為反射率)r=E-G-是土壤向大氣進行長波輻射量(E)與大氣升溫反向土壤輻射量(G)的差值；以R代表地面輻射能的總收入減去總支出的平衡差值收入支出R=[(I+H)-(I+H)×α]+(G-E)=(I+H)(1-α)-r第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、影響地面輻射平衡的因素⑴

太陽的輻射強度

主要取決于氣候；晴天比陰天的輻射強度大。天氣條件相同條件下取決于太陽光在地面上的投射角(日照角)，投射角又受緯度和坡向坡度等影響。⑵

地面的反射率

太陽入射角、日照高度、地面狀況，地面狀況又包括顏色、粗糙程度、含水狀況、植被及其他覆蓋物狀況⑶

地面有效輻射云霧、水汽和風。強烈吸收和反射地面發(fā)出的長波輻射，減少有效輻射。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

三、土壤熱量平衡當土面獲得太陽輻射能轉換為熱能時，大部分熱量消耗于土壤水分蒸發(fā)和土壤與大氣之間的湍流熱交換，一小部分被生物活動所消耗，只有很少部分通過熱交換傳導至土壤下層。據(jù)右圖，設太陽輻射能有47%到地面，蒸騰消耗占23%，長波凈輻射占14%，對流傳導占10%。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日土壤收支平衡表示式式中：S-單位時間內(nèi)土壤實際獲得或失掉的熱量；R-輻射平衡；P-土壤與大氣層之間的湍流交換量；LE-水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結而造成的熱量損失或增加的量；B—土面與土壤下層的之間的熱交換量。正負雙重號表示不同情況下有土溫增或減的不同方向

一般情況下，白天熱量平衡方程計算出S為正值，即土壤溫度升高；夜晚S為負值，土表不斷向外輻射損失熱量，溫度降低。

S=R±P±LE+B第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)土壤熱性質一、土壤熱容量重量熱容量(Cp)：指單位重量土壤溫度升高1℃所需的熱量(卡/克·℃)。容積熱容量(Cv)：指單位容積的土壤溫度升高1℃所需的熱量(卡/立方厘米·℃)。由于土壤組成分復雜，每種成分的熱容量都不一樣，不同成分的容重也不一樣。

Cv=Cp×土壤容重Cv=mCv·Vm+OCv·Vo+wCv·Vw+aCv·Va第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日

式中：mCv、OCv、wCv和aCv分別為土壤礦物質、有機質、水和空氣的容積熱容量；Vm、Vo、Vw和Va分別為土壤礦物質、有機質、水和空氣在單位體積土壤中所占的體積比。氣體的熱容量可忽略，公式可簡化為：

影響土壤熱容量組分中，土壤水有決定性作用。從土壤三相角度看，液相的土壤水分的熱容量最大，氣相最??；Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw[J/(cm3·℃)]第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日

固相中，腐殖質熱容量與其他成分相比有明顯優(yōu)勢，其他各組分熱容量彼此差異不大，所以土壤熱容量大小主要決定于土壤水分多少和腐殖質含量。但是有機質含量比較固定，很難在短期內(nèi)改善，只有水分是易變量，可以通過灌排調(diào)節(jié)土溫。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、土壤導熱率

1、概念

土壤具有的將所吸熱量傳到鄰近土層的性質。單位厚度(1cm)土層，溫差1℃，每秒經(jīng)單位斷面(1cm2)通過的熱量卡數(shù)。水的導熱率大于空氣導熱率，當土壤含水量低時，由于空氣導熱率很小，因此土壤導熱率小，特別是疏松孔隙多的土壤，導熱率小。若含水量低但土壤緊實，熱量可通過土粒(礦物質)傳導，導熱率則較大。導熱性導熱率λ第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日

2、增大土壤導熱率的意義導熱性好的濕潤表土層白天吸收的熱量易于傳導到下層，使表層溫度不易升高；夜間下層溫度又向上層傳遞以補充上層熱量的散失，使表層溫度下降也不致過低，因而導熱性好的濕潤土壤晝夜溫差較小。

第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日土壤溫度決定于土壤導熱率和熱容量。如果熱量一定，土壤溫度升高的快慢和難易決定于其熱擴散率。1、概念指在標準狀況下，在土層垂直方向上每厘米距離內(nèi)，1℃的溫度梯度下，每秒流入1cm2土壤斷面面積的熱量，使單位體積(1cm3)土壤所發(fā)生的溫度變化，以D表示。

式中：λ→土壤導熱率；Cv→土壤容積熱容量D=λ/Cv(cm2/s)三、土壤熱擴散率第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

影響λ和Cv：質地、松緊度、結構及孔隙狀況等

土壤水的D=5.021×10-3，土壤空氣的D=2.092×10-4-1.255×10-3，土粒的D=8.4×10-3-2.5×10-2/1.9。土壤固相物質組成穩(wěn)定，土壤擴散率主要取定于土壤水和空氣的比例。當土壤含水率由小增到某一值時，D逐漸增加至最大值；此時含水量再增加，D反而變小。

因為前期含水量增加，λ和Cv都增大，但后期土壤含水量增大，雖然λ增大，但Cv增大更快一些，所以D反而逐漸減小。2、影響因素第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日

第四節(jié)土壤溫度一、土壤溫度年變化

升溫階段，一般為1月至7月，7月達最高；降溫階段，一般是為7月至次年1月，1月達最低。

土層愈深，最高溫和最低溫達到的時間落后于表層土壤，稱為“時滯”。溫度的變幅也隨土層深度而縮小，至5～20米深處，土溫年變幅消失。

二、土溫日變化土表溫度最高值出現(xiàn)在當?shù)貢r間13～14時，最低溫出現(xiàn)在日出之前。土溫日變幅以表土最大，至40～100cm深處變化幅度小甚至消失。第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、影響土溫變化的因素

緯度坡向坡度緯度影響土壤表面接受太陽輻射的強度。隨緯度由低到高，自南而北土壤表面接受的輻射強度減弱，土溫由高到低。北半球南坡接受太陽輻射最多，東南坡、西南坡次之，東坡、西坡、東北坡、西北依次遞減，北坡最低。北半球中緯度地區(qū)（30～600）的南向坡，隨著坡度增加，接受太陽輻射增加。第