第三節(jié)-土壤與環(huán)境的空氣交換優(yōu)秀文檔

第四節(jié)土壤與環(huán)境的空氣交換一、土壤空氣含量和組成1、含量容重孔隙度田間持水量空氣量g/cm3g/gcm3/cm3cm3/cm3砂壤土1.300.510.280.3640.146水多則氣少。soilaircontent(v%)=totalporosity(%)-soilwatercontent(v%)

土壤空氣的組成含量不是固定不變的，土壤水分、土壤生物活動(dòng)、土壤深度、土壤溫度、pH值，季節(jié)變化及栽培措施等都會(huì)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。

Soilaircontent

土壤空氣含量SoildepthContentCO2O2O2(%)CO2(%)N2(%)其它氣體(%)atmosphere20.940.0378.050.98soilair18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98土壤空氣與大氣組成的差別（volume%)2、組成二、土壤通氣性一）、土壤與大氣交換的機(jī)制1、質(zhì)流交換整體交換，<100次/年2、擴(kuò)散交換土壤呼吸，主要機(jī)制Fick定律總壓力梯度的產(chǎn)生：

氣壓變化、溫度梯度、土壤表層風(fēng)力、降水或灌溉等。

土壤空氣對(duì)流方程：

空氣對(duì)流量隨土壤透氣率和氣壓梯度增加而增大Massflow

質(zhì)流（對(duì)流）

土壤與大氣間由總壓力梯度推動(dòng)的氣體整體流動(dòng)。

對(duì)流方向：高壓區(qū)低壓區(qū)qv=-(k/η)▽pQv—空氣的容積對(duì)流量（單位時(shí)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

在大氣和土壤之間CO2和O2濃度的不同形成分壓梯度，驅(qū)使土壤從大氣中吸收O2，同時(shí)排出CO2的氣體擴(kuò)散作用，稱為土壤呼吸。是土壤與大氣交換的主要機(jī)制。

Diffusion

擴(kuò)散擴(kuò)散過程氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散通過充氣孔隙擴(kuò)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(kuò)散擴(kuò)散公式——Ficklaw：

qd——擴(kuò)散通量(單位時(shí)間通過單位面積擴(kuò)散的質(zhì)量)dc/dx--濃度梯度；“-”—表示方向D--擴(kuò)散系數(shù)(面積/時(shí)間)

擴(kuò)散通量(qd)與其擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)D來控制氣體擴(kuò)散通量。

qd=-Ddc/dx

D0--自由空氣中的擴(kuò)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(kuò)散通過的實(shí)際長度l/le和S的值都小于1

結(jié)構(gòu)良好土壤中，氣體在團(tuán)聚體間大孔隙間擴(kuò)散，而團(tuán)聚體內(nèi)小孔隙則較長時(shí)間保持或接近水飽和狀態(tài)，限制團(tuán)聚體內(nèi)部通氣性狀。所以緊實(shí)大團(tuán)塊，即使周圍大孔隙通氣良好，在團(tuán)塊內(nèi)部仍可能是缺氧。所以通氣良好的旱地也會(huì)有厭氣性微環(huán)境。

D=D0·S·l/leDiffusioncoefficientD

擴(kuò)散系數(shù)D值的大小取決于土壤性質(zhì)，通氣孔隙狀況及其影響因素(質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度、土壤含水量等)。二）、影響土壤通氣性的因素1、質(zhì)地2、結(jié)構(gòu)3、土體構(gòu)型4、土壤含水量

Influencedfactorsofsoilairmovementandexchange

影響土壤空氣運(yùn)動(dòng)和交換的主要因素氣象因素土壤因素農(nóng)業(yè)措施氣溫、氣壓、風(fēng)力和降雨等通氣孔隙狀況及其影響因素(質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度、土壤含水量等)。耕作、施肥、灌水等三）、土壤通氣指標(biāo)1、氣體擴(kuò)散系數(shù)2、土壤呼吸商3、土壤通氣量4、通氣孔隙度5、土壤氧化還原電位

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。

單位時(shí)間通過單位斷面的CO2數(shù)量土壤呼吸強(qiáng)度不僅作為土壤通氣指標(biāo)，而且是反映土壤肥力狀況的一個(gè)綜合指標(biāo)。

土壤孔隙度Soilporosity

土壤呼吸強(qiáng)度Soilrespiratoryintensity土壤透水性Soilfiltration土壤氧化還原電位Soilredoxpotential三、土壤氧化還原狀況一）、土壤氧化還原體系土壤中產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)很多，存在著多種氧化還原體系。主要有：氧體系氮體系鐵體系錳體系硫體系氫體系有機(jī)物體系包括各種有機(jī)酸類、酚類、醛類和糖類化合物。土壤氧化還原體系的特點(diǎn)Characteristicsofredoxsystemsinsoils

Ｏ２是主要氧化劑:

在通氣良好的土壤中，氧體系控制氧化還原反應(yīng)，使多種物質(zhì)呈氧化態(tài)，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。

SOM(特別是新鮮有機(jī)物)是還原劑:

土壤缺Ｏ２條件下，將氧化物轉(zhuǎn)化為還原態(tài)。

土壤氧化還原體系可分為無機(jī)體系和有機(jī)體系:

無機(jī)體系的反應(yīng)一般是可逆的，有機(jī)體系和微生物參與條件下的反應(yīng)是半可逆或不可逆的。

氧化還原反應(yīng)不完全是純化學(xué)反應(yīng)，很大程度上有微生物參與如:NH4+→NO2-→NO3-(分別在亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌作用下完成)

土壤是不均勻的多相體系，不同土壤和同一土層不同部位，氧化還原狀況會(huì)有不同差異。土壤氧化還原狀況隨栽培管理措施特別是灌水、排水而變化。二）、土壤氧化還原反應(yīng)有機(jī)碳易丟失電子，是土壤中最重要還原劑。氧氣最易接受電子，是土壤中最重要氧化劑。三）、土壤氧化還原電位EhEh隨pH升高而降低，每單位pH引起的Eh變化為59mV(25℃）。同一氧化還原反應(yīng)在堿性溶液中比在酸性溶液中容易進(jìn)行。土壤氧化還原反應(yīng)總有H+參與，H+活度對(duì)氧化還原平衡有直接影響。Eh變化范圍：1、旱地：400~700mV<400mV通氣不良，缺氧，積累還原物，抑制生長>700mV有機(jī)質(zhì)礦化速率快，土壤肥力下降2、水田：氧化層土壤250~400mV耕作層-200mV100~200mV氧化層300~400mV通常把Eh值300mV作為土壤氧化還原狀況的分界線，Eh＞300mV時(shí)土壤呈氧化狀態(tài)，＜300mV時(shí)的土壤呈還原狀態(tài)。Eh值過高或過低都對(duì)植物生長不利。當(dāng)Eh＞750mV時(shí)，土壤中好氣條件太強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解過旺，易造成養(yǎng)分的大量損失。而Fe、Mn完全以高價(jià)化合物的形式存在，溶解度極小，植物易造成缺Fe而發(fā)生“失綠病”，也會(huì)因缺Mn而發(fā)生“灰斑”、“白斑”病。當(dāng)m值＜200mV時(shí)，F(xiàn)e、Mn化合物呈還原態(tài)，土壤溶液中Fe2+濃度高，會(huì)使水稻田秧苗中毒。我國南方有些地區(qū)，水稻受害的水溶態(tài)Fe2+的臨界濃度為50～100mg/kg。隨著Fe、Mn的還原，土壤顏色由紅棕、黃褐色變?yōu)榍嗷疑?。?dāng)Eh值降為負(fù)值后，某些土壤可能出現(xiàn)H2S，對(duì)作物產(chǎn)生毒害。水田大量施用綠肥或有機(jī)肥后，在高溫淹水嫌氣條件下，使水稻根系變黑，土壤發(fā)出臭味，這主要是由于Fe2+與S2-化合生成FeS沉淀附著在根的表面呈黑色所致。土壤中的硝化過程及硝酸鹽的累積是在Eh值很高的好氣條件下進(jìn)行的。土壤通氣不良，引起Eh下降和反硝化過程的發(fā)展。影響Eh的因素：1、土壤通氣狀況2、生物過程3、有機(jī)質(zhì)4、土壤中氧化劑含量Eh=-59pH四、土壤通氣和氧還狀況對(duì)土壤功能的影響一）、成土過程影響季節(jié)性降水、積水，干濕交替二）、對(duì)土壤養(yǎng)分影響1、N2、P由氧化態(tài)到還原態(tài)有效性提高3、Fe、Mn由氧化態(tài)到還原態(tài)有效性提高三）、還原條件的毒害問題1、有機(jī)酸/醛2、亞硝酸根積累3、Fe2+、Mn2+4、S2-、H2S氣溫低，地面裸露時(shí)，地面輻射增強(qiáng)，隨著高度增季節(jié)性降水、積水，干濕交替Eh隨pH升高而降低，每單位pH引起的Eh變化為59mV(25℃）。土壤空氣與植物生長Effectofsoilaironplantgrowth以R代表地面輻射能的總收入減去總支出的平衡差值吸收熱量增多，所以高山土溫比氣溫高。地面輻射平衡Radiationbalance土壤與大氣間由總壓力梯度推動(dòng)的氣體整體流動(dòng)。Ｏ２是主要氧化劑:在通氣良好的土壤中，氧體系控制氧化還原反應(yīng)，使多種物質(zhì)呈氧化態(tài)，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。LE——水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結(jié)而造成的熱量損失或增加的量；D=λ/Cv(cm2/s)但Cv增大更快一些，所以D反而逐漸減小。我國南方有些地區(qū)，水稻受害的水溶態(tài)Fe2+的臨界濃度為50～100mg/kg。土壤空氣與植物生長

Effectofsoilaironplantgrowth

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(huì)受到影響，O2含量低至5％以下時(shí)，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(dāng)CO2含量大于1％時(shí)，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(dǎo)致吸收水肥能力減弱，甚至死亡。

五、土壤空氣與生態(tài)和環(huán)境的關(guān)系

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(shí)，葡萄糖酒精發(fā)酵，產(chǎn)生酒精，使種子受害。土壤空氣狀況與植物抗病性（1）植物感病后，呼吸作用加強(qiáng)，以保持細(xì)胞內(nèi)較高的氧水平，對(duì)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(kuò)大。（3）傷口呼吸增強(qiáng)，利于傷口愈合，減少病菌侵染。土壤空氣與微生物活性

Effectofsoilaironmicro-organismactivity

土壤空氣影響微生物活動(dòng)，影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。通氣良好利于有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化。根系吸收養(yǎng)分，需通氣良好條件下的呼吸作用提供能量。土壤空氣與大氣痕量溫室氣體的關(guān)系

Relationshipbetweensoilairandgreenhousegasesinatmosphere

大氣中痕量溫室氣體（CO2、CH4、N2O、氯氟烴化合物）導(dǎo)致的氣候變暖，是人們關(guān)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(source)。土壤對(duì)大氣中溫室氣體的吸收和消耗，稱為匯(sink)。

misssink——未探明匯一、土壤中熱能收支1、土壤熱量來源Sourcesofheat

土壤熱量的最根本來源。太陽能的99%為短波輻射。當(dāng)太陽輻射通過大氣層時(shí)，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。

微生物分解有機(jī)質(zhì)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。

地殼傳熱能力差，對(duì)土壤溫度影響極小，可忽略不計(jì)

太陽輻射能Solarradiantenergy生物熱Biologicalheat地?zé)酻ndergroundheat第五節(jié)土壤與環(huán)境的能量交換2、土壤表面的輻射平衡及影響因素

Radiationbalanceonsoilsurfaceanditsinfluencefactors地面輻射平衡Radiationbalance

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)

以R代表地面輻射能的總收入減去總支出的平衡差值

R=[(I+H)-(I+H)×α]+(G-E)=(I+H)(1-α)-r

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(jìn)行長波輻射量(E)與大氣升溫反向土壤輻射量(G)的差值；收入支出SunIGErH大氣吸收云層散射大氣散射云層吸收地面輻射平衡的影響因素Influencefactors

太陽的輻射強(qiáng)度

Solarradiationintensity

主要取決于氣候；晴天比陰天的輻射強(qiáng)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。地面的反射率Reflectionratioofsoilsurface

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地面有效輻射Availableradiationofsurface

云霧、水汽和風(fēng)。強(qiáng)烈吸收和反射地面發(fā)出的長波輻射，減少有效輻射。

3、土壤的熱量平衡

Heatbalanceofsoil當(dāng)土面獲得太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)，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(dòng)所消耗，只有很少部分通過熱交換傳導(dǎo)至土壤下層。

土壤熱量收支

Soilheatbudget

S——單位時(shí)間內(nèi)土壤實(shí)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(jié)而造成的熱量損失或增加的量；Q——土面與土壤下層的之間的熱交換量。正負(fù)雙重號(hào)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S為正值，即土壤溫度升高；夜晚S為負(fù)值，土表不斷向外輻射損失熱量，溫度降低。S=R±P±LE+Q隨著Fe、Mn的還原，土壤顏色由紅棕、黃褐色變?yōu)榍嗷疑E——水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結(jié)而造成的熱量損失或增加的量；Qv—空氣的容積對(duì)流量（單位時(shí)間通過單位橫截面積的空氣容積）“-”—表示方向吸收熱量增多，所以高山土溫比氣溫高。6:0010:0014:0018:00土壤空氣狀況與植物抗病性Soilaircontent土壤空氣含量土壤固相物質(zhì)組成穩(wěn)定，土壤熱擴(kuò)散率Cv=mCv·Vm+OCv·Vo+wCv·Vw+aCv·VaSoilmineralparticle:mCv=1.t1、t2—土層兩端的溫度d—土層厚度土壤熱量收支Soilheatbudget大氣中痕量溫室氣體（CO2、CH4、N2O、氯氟烴化合物）導(dǎo)致的氣候變暖，是人們關(guān)注的重大環(huán)境問題。SoilrespiratoryintensitymCv、oCv、wCv和aCv分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣的容積熱容量；氧化層土壤250~400mV1、土壤熱容量Heatcapacityofsoil

重量熱容量(Cp)：?jiǎn)挝恢亓客寥罍囟壬?℃所需的熱量(J/g·℃)。

容積熱容量(Cv)：?jiǎn)挝蝗莘e土壤溫度升高1℃所需的熱量(J/cm3·℃)。土壤組成分復(fù)雜，每種成分的熱容量都不一樣:

Cv=Cp×soil

bulkdensity

二、土壤熱性質(zhì)

Soilheatproperties

Soilmineralparticle:mCv=1.9J/cm3·℃Soilorganicmatter:oCv=2.5J/cm3·℃Soilwater:wCv=4.2J/cm3·℃Soilair:×10-3

J/cm3·℃

mCv、oCv、wCv和aCv分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣的容積熱容量；Vm、Vo、Vw和Va分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣體積百分?jǐn)?shù)。

氣體的熱容量可忽略，公式可簡(jiǎn)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，氣相最小；Cvmow

[J/(cm3·℃)]Cv=mCv·Vm+OCv·Vo+wCv·Vw+aCv·Va土壤熱容量可用三相物質(zhì)熱容量和組成比例計(jì)算：

固相中，腐殖質(zhì)熱容量與其他成分相比有明顯優(yōu)勢(shì)，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(zhì)含量。但是有機(jī)質(zhì)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。

2、土壤導(dǎo)熱率Heatconductivityofsoil

土壤具有的將所吸熱量傳到鄰近土層的性質(zhì)。

單位厚度(1cm)土層，溫差1℃，每秒經(jīng)單位斷面

(1cm2)通過的熱量焦耳數(shù)[J/(cm·s·℃)]。導(dǎo)熱性導(dǎo)熱率λQ—流動(dòng)的熱量A—面積T—時(shí)間t1、t2—土層兩端的溫度d—土層厚度熱量傳導(dǎo)方向：

高溫處低溫處

土壤組分導(dǎo)熱率Heatconductivityofdifferentsoilcomposition

Soilsolidparticle

土壤固體部分：×10-3×10-2

J/(cm·s·℃)

Soilwater

土壤水：

5.439×10-3~5.858×10-3

J/(cm·s·℃)

Soilair

土壤空氣：

2.301×10-4~2.343×10-4

J/(cm·s·℃)

水的導(dǎo)熱率大于空氣導(dǎo)熱率，當(dāng)土壤含水量低時(shí)，由于空氣導(dǎo)熱率很小，因此土壤導(dǎo)熱率小，特別是疏松孔隙多土壤，導(dǎo)熱率小。若含水量低但土壤緊實(shí)，熱量可通過土粒(礦物質(zhì))傳導(dǎo)，導(dǎo)熱率則較大。土壤導(dǎo)熱率的意義Importanceofheatconductivityofsoil

導(dǎo)熱性好的濕潤表土層白天吸收的熱量易于傳導(dǎo)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(bǔ)充上層熱量的散失，使表層溫度下降也不致過低，因而導(dǎo)熱性好的濕潤土壤晝夜溫差較小。

土壤溫度決定于土壤導(dǎo)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(kuò)散率。標(biāo)準(zhǔn)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。

λ→土壤導(dǎo)熱率[J/(cm·s·℃)]

；Cv→土壤容積熱容量(J/cm3·℃)D=λ/Cv(cm2/s)3、土壤熱擴(kuò)散率Heatdiffusivityofsoil代表土壤傳遞熱的快慢干土易升溫，濕土不易升溫

影響λ、Cv和D的因素：

質(zhì)地、松緊度、結(jié)構(gòu)及孔隙狀況等

土壤水：D=5.021×10-3

土壤空氣：D=2.092×10-4/1.255×10-3

土粒：D=8.4×10-3-2.5×10-2

土壤固相物質(zhì)組成穩(wěn)定，土壤熱擴(kuò)散率主要取定于土壤水和空氣的比例。

當(dāng)土壤含水率由小增到某一值時(shí)，D逐漸增加至最大值；此時(shí)含水量再增加，D反而變小。因?yàn)榍捌诤吭黾?，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。

EffectoftextureandwatercontentonheatdiffusivityofsoilWatercontent(v%)HeatdiffusivityofsoilSand(0.60)Sand(0.40)ClaySoil(0.40)peatSoil(0.40)泥炭土土壤溫度是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。三、土壤溫度變化soilaircontent(v%)=totalporosity(%)-soilwatercontent(v%)Eh=-59pHλ→土壤導(dǎo)熱率[J/(cm·s·℃)]；夜晚S為負(fù)值，土表不斷向外輻射損失熱量，溫度降低。(I+H)×α——被地面反射出的短波輻射，(α為反射率)=(I+H)(1-α)-r439×10-3~5.北半球中緯度地區(qū)（30～600）的南向坡，隨著坡度通氣孔隙狀況及其影響因素(質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度、土壤含水量等)。升溫階段：1月至7月，7月達(dá)最高；peatSoil(0.第五節(jié)土壤與環(huán)境的能量交換092×10-4/1.Soilrespiratoryintensity土壤氧化還原反應(yīng)總有H+參與，H+活度對(duì)氧化還原平衡有直接影響。Soilwater:wCv=4.通過不同厚度水膜的擴(kuò)散土溫日變化

Diurnalchangeofsoiltemperature

Onadiurnaltime-scale,soilsareheatedduringthedayandtheeffectgraduallyextendsdownwards.Atnightsoilscoolrapidlyatthesurfaceandheatistransferredupwardsfromwithinthesoil.

土表溫度最高值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間13～14時(shí)，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。6:0010:0014:0018:00Soiltemperature土溫季節(jié)(年)變化

Seasonalchangeofsoiltemperature

Seasonalheatingandcoolingcyclesoperateinasimilarmanner,buttheypenetr