土壤空氣和熱量狀況

土壤空氣和熱量狀況第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二【教學(xué)目標(biāo)】1．土壤空氣的組成特點與大氣的差異及原因2．土壤空氣運動的方式，擴散是主要機制3．土壤空氣對植物生長和土壤肥力的影響4．在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何調(diào)節(jié)土壤空氣狀況5．土壤熱量的來源，太陽輻射是最基本來源6．土壤的熱性質(zhì)及在土壤中的變化和相互關(guān)系7．土壤溫度變化和對植物、土壤肥力的影響8．采用哪些措施可調(diào)節(jié)土壤的溫度狀況第六章土壤空氣和熱量狀況第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)土壤空氣

一 土壤空氣的組成二 土壤空氣的運動三 土壤空氣與土壤肥力第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二§1土壤空氣的組成與植物生長一、土壤空氣的組成與變化氣體O2CO2N2其他氣體近地面的大氣20.940.0378.050.95土壤空氣18.0-20.030.15-0.6578.8-80.24－土壤空氣與大氣組成的比較（容積%）第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二土壤空氣和近地面大氣組成的差異

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4．土壤空氣中含有較高量的還原性氣體（CH4等）土壤空氣組成顯然不是固定不變的。第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

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覆膜和裸露棉田在不同生長期內(nèi)土壤空氣含量(%)

第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二土壤空氣的變化規(guī)律：隨著土層深度的增加，土壤空氣中CO2含量增大，O2含量減少；氣溫和土溫升高，根系呼吸加強，微生物活動加快，土壤空氣中CO2含量增加，夏季CO2含量最高；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的含量是相互消長的，二者的總和維持在19~22%。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二①土壤空氣對植物生長的影響，有許多過程和因素需進(jìn)一步研究。②僅僅一個空氣容量指標(biāo)并不能肯定土壤是否能滿足植物和微生物對氧的需求。③土壤中CO2濃度對植物生長的影響也有待進(jìn)一步研究。④研究表明，某一特定植物對CO2濃度有一最佳值,過高或過低都會引起根系生長衰退。過高濃度CO2往往伴隨缺O(jiān)2而造成不良后果，但一定濃度CO2對植物生長也有促進(jìn)作用，而且CO2造成的土壤溶液的微酸性有利于有些土壤養(yǎng)分的釋放.注意：第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、土壤中的空氣流（一）、對流

對流，又稱質(zhì)流，驅(qū)動力：氣壓梯度，它使氣流沖從高壓區(qū)向低壓區(qū)運動。土壤空氣瞬態(tài)對流的近似方程:使用前提是流動過程屬層流，且這種層流是在小的壓力差作用下產(chǎn)生的。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（二）、土壤空氣擴散（soilairdiffusion)指氣體分子由濃度大（或分壓大）處向濃度小（或分壓?。┨幍倪\動，是由氣體分子的熱運動引起的土壤中氣體擴散過程（Fick第一定律）

式中：q表示體積擴散通量[LT-1]Ds表示土壤中氣體表觀擴散系數(shù)[L2T-1]C表示氣體容積分?jǐn)?shù)(濃度)[L3L3]x表示擴散距離[L]若用擴散氣體的分壓(P)代替濃度，方程為：

式中表示濃度與分壓的換算常數(shù)（比值）第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二注意：

1.土壤氣體表觀擴散系數(shù)Ds小于自由大氣中的擴散系數(shù)Do。2.水在土中的傳導(dǎo)性主要取決于孔隙的大小分布，

不同充氣孔隙度下草甸褐土透氣率K值基質(zhì)勢(hPa)含水率(%)充氣孔度(%)K(m/s)-9.840.2414.0612-9825.4728.83133-31023.0731.23272－054.30682第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三、土壤通氣性(soilaeration)（一）、土壤通氣性的定義和指標(biāo)泛指土壤空氣與大氣進(jìn)行交換以及土體內(nèi)部氣體擴散和通氣的能力。1．靜態(tài)指標(biāo)（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）取樣的代表性不十分確定2．土壤通氣量(soilairflux)指在單位時間內(nèi)，單位壓力下，進(jìn)入單位體積土壤中的氣體總量，常用單位是毫升厘米-2

秒-1。土壤通氣量的大小標(biāo)志著土壤通氣性好壞，通氣量大則土壤通氣性良好。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二3．土壤氧化還原電位（Eh）

土壤的Eh取決于土壤溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質(zhì)的濃度比，而后者又主要取決于土壤中的氧化壓或溶解態(tài)氧的濃度，這就直接與土壤通氣性相聯(lián)系。因此Eh可以做為土壤通氣性的指標(biāo)，它指示土壤溶液中氧壓的高低，反映土壤通氣排水狀況。第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（二）、土壤通氣性的調(diào)節(jié)1、調(diào)節(jié)土壤水分含量2、改良土壤結(jié)構(gòu)3、通過各種耕作手段來調(diào)節(jié)土壤通性

對旱作土壤，有中耕松土，深耙勤鋤，打破土表結(jié)殼，疏松耕層等措施。

對于水田土壤，可通過落水曬田、曬垡，擱田及合理的下滲速率等措施。第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二課堂測驗：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、土壤水和土壤空氣是矛盾的，永遠(yuǎn)無法調(diào)和的()8、在土壤通氣性中，對流比擴散更重要()9、土壤通氣的好壞主要受含水量和結(jié)構(gòu)性的影響()。第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)土壤熱量(Soilheat)第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二一、土壤熱量的來源（一）太陽的輻射能垂直于太陽光下一平方厘米的黑體表面在一分鐘內(nèi)吸收的輻射能常數(shù)），稱作太陽常數(shù)，一般為1.9k/cm2/min。

99％的太陽能包含在0.3-4.0微米的波長內(nèi)，這一范圍的波長通常稱為短波輻射。當(dāng)太陽輻射通過大氣層時，其熱量一部分被大氣吸收散射，一部分被云層和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。HIEa第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（二）生物熱

據(jù)估算，含有機質(zhì)4％的土壤，每英畝耕層有機質(zhì)的潛能為6.28×109～6.99×109KJ，相當(dāng)于20～50噸無煙煤的熱量。（三）地球內(nèi)熱

第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、土壤表面的輻射平衡及影響因素（一）地面輻射平衡太陽的輻射主要是短波輻射，太陽輻射透過大氣層時，少部分直接到達(dá)地表的太陽能稱為太陽直接輻射（I）。被大氣散射和云層反射的太陽輻射能，通過多次的散射和反射，又將其中的一部分輻射到地球上，一般稱為天空輻射能或大氣輻射（H）。太陽直接輻射和大氣輻射都是短波輻射。

I+H之和為投入地面的太陽總短波輻射，又稱為環(huán)球輻射

第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（二）影響地面輻射平衡的因素

1、太陽的輻射強度日照角越大，坡度越大，地面接受的太陽輻射越多。在中緯度地區(qū)，南坡坡地每增加一度，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。2、地面的反射率太陽的入射角越大，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。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二3、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)：它們能強烈吸收和反射地面發(fā)出的長波輻射，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）地面覆蓋：導(dǎo)熱性差的物體如秸桿、草皮、殘枝落葉等覆蓋地面時，可減少地面的有效輻射。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三、土壤的熱量平衡土壤熱量收支平衡可用下式表示：S=QPLE+RS為土壤在單位時間內(nèi)實際獲得或失掉的熱量；Q為輻射平衡；L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。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)土壤熱性質(zhì)一、土壤熱容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)

土壤熱容量是指單位質(zhì)量（重量）或容積的土壤每升高（或降低）1℃所需要（或放出的）熱量。C代表質(zhì)量（重量）熱容量(massheatcapacity)，單位是Jg-1℃-1。Cv代表容積熱容量(volumeheatcapacity)，單位是（Jcm-3℃-1）。

請注意礦物質(zhì)、有機質(zhì)、水的兩種熱容量值。土壤的容積熱容量（Cv）可用下式表示：Cv=mCv·Vm+oCv·Vo＋wCv·Vw+aCv·Va(6－7)因空氣的熱容量很小，可忽容不計，故土壤熱容量可簡化為：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw(Jcm-3C-1)(6－8)第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二表6-1不同土壤組分的熱容量第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二要注意C和CV之間的換算，對于均質(zhì)的土壤而言∶

CV=r·C(1)有些書上用

CV=р·C(2)來表示是不正確的，р表示土壤容重，應(yīng)用下式表示

C=CsMs+CwMw+CaMa(3)式中Cs,Cw,Ca分別表示土壤固相、液相和氣相的質(zhì)量熱容量；Ms,Mw,Ma分別表示單位質(zhì)量土壤中固相、液相和氣相所占的質(zhì)量(比例）。如果用容積熱容量表示

Cv=CvsVs+CvwVw+CvaVa(4)式中Vs,Vw,Va分別表示單位容積土壤中固相、液相和氣相所占的比例，Cvs,Cvw,Cva分別表示土壤中固相、液相和氣相的容積熱容量（比例）。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

在式(4)中，由于氣體的熱容量Cv很小，相對可以忽略，于是式(4)可寫成∶

CV=Cvs·Vs+Cvw·Vw(5)在式(5)中，Vw=θv(土壤容積含水量)，根據(jù)式(1)

Cvs=rs·Cs(6)

rs=MS/VS=ρ/VSVs=ρ/rs(7)將(6)、(7)代入式(5)得

Cv=ρCs+Cvw·θv(8)一般情況下，水的熱容量可以4.18J.cm3/℃，當(dāng)有機質(zhì)含量不高時，固相物質(zhì)的質(zhì)量熱容量可以近似取0.85J/g/℃，則式(8)可變?yōu)椤?/p>

Cv=0.85ρ+4.18·θv(9)第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二由式(9)可以看出，土壤熱容量色土壤容重和含水量的增加而增大，對于一定土壤而其固相物質(zhì)容重變化很小，而其含水量則變化很大，故水分對土壤熱容量影響最大。砂土含水量一般比粘土小，而空氣含量較高，所以其熱容量一般較低。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、土壤導(dǎo)熱率導(dǎo)熱性:土壤具有對所吸熱量傳導(dǎo)到鄰近土層性質(zhì)，稱為導(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（1厘米）土層，溫差為1℃時，每秒鐘經(jīng)單位斷面（1厘米2）通過的熱量焦耳數(shù)（）。其單位是J.cm-2.s-1.℃-1。

第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)土壤干燥缺水時，土粒間的土壤孔隙被空氣占領(lǐng)，導(dǎo)熱率就小。當(dāng)土壤濕潤時，土粒間的孔隙被水分占領(lǐng)，導(dǎo)熱率增大。第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三、土壤的熱擴散率土壤熱擴散率

是指在標(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。其大小等于土壤導(dǎo)熱率/容積熱容量之比值。上式中:為土壤導(dǎo)熱率，Cv為土壤容積熱容量。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第四節(jié)土壤溫度（Soiltemperature)一、土壤溫度的季節(jié)或月變化第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、土壤溫度的日變化第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、土壤溫度的日變化第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三、地形地貌和土壤性質(zhì)對土溫的影響

(一）海拔高度對土壤溫度的影響在山區(qū)隨著高度的增加，土溫還是比平地的土溫低。

（二）坡向與坡度對土壤溫度的影響①坡地接受的太陽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)對土壤溫度的影響土壤顏色深的，吸收的輻射熱量多，紅色、黃色的次之，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，土壤顏色的差異可以使不同土壤在同一時間的土表溫度相差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。第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

一般在通氣良好的土壤中，植物根系長、顏色淺、根毛多；而缺氧則會阻礙根系伸長和側(cè)根萌生，根系短而粗，顏色暗，根毛大量減少。

據(jù)對棉花地的觀測：土壤空氣中O2和CO2含量維持在21%左右，O2占其中85%以上時棉花根系發(fā)育良好；當(dāng)O2占70%以上時,棉花根系能正常生長；而CO-2占60%以上時，根系生長完全停止。

第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二土壤空氣氧濃度臨界值(Vol%)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谷類胚芽10%Gill19