第八章 土壤熱狀況

第八章土壤熱狀況土壤熱狀況的意義

一、是土壤肥力的4個要素之一，對其它3個肥力因素有重要影響。1、土壤溫度狀況影響?zhàn)B分的有效性直接的—風化、純化學反應，間接的—通過微生物。2、土壤溫度影響水分的蒸發(fā)、蒸騰、再分布，影響水的能量狀況、粘滯度，因而對水分的運動和有效性有直接影響。3、影響土壤空氣的交換和更新。4、對植物的生命活動有直接影響。二、影響土壤的形成和發(fā)展過程

從赤道到兩極，土壤類型呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，主要原因就是由于溫度的不同造成的。在土壤分類中，土壤的熱狀況是一個重要的依據(jù)，放在高級分類單元。

第一節(jié)土壤的輻射平衡一、土壤熱量的來源(一)太陽的輻射能

太陽的輻射能是地球上最重要的能量源泉，也是土壤熱量的最主要來源。

地球雖然只獲得太陽總輻射能的極小部分，大約20萬分之一，但比從其它方面所獲得的總能量要大數(shù)千倍。當?shù)厍蚺c太陽為日地平均距離時，在大氣上部邊界測得的太陽輻射強度為1.90卡/cm2/min。但是，實際上到達地面的太陽輻射遠遠小于這個數(shù)量。因為太陽光線通過大氣層時，一部分被大氣和云層吸收，一部分被云層和大氣散射。到達地表面的熱量，還有一部分被輻射和反射回大氣，真正被土壤吸收的只是其中的一部分。

(二)生物熱

微生物在分解有機質(zhì)的生命活動中，產(chǎn)生一些熱量，其中一部分被微生物作為同化作用的能源，大部分則用來提高土溫。

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，相當于20～50噸無煙煤的熱量。

在局部范圍內(nèi)，利用生物熱來提高地溫還是很有效的。如早春溫度偏低，用各種有機物料作成溫床培育幼苗，可以延長生育期，使蔬菜提早上市，有一定的經(jīng)濟效益。(三)地球的內(nèi)熱地球內(nèi)部也可以緩慢地向地表土壤傳遞熱量，只因為地殼導熱能力很差，每平方厘米地面全年從地球內(nèi)部獲得的熱量只有54卡，相當于半小時的太陽輻射。二、土壤的輻射平衡

土壤接受太陽輻射，同時也向空氣中輻射，兩者的差額，稱為土壤的輻射平衡。HIEa(一)短波輻射

太陽的輻射是短波輻射，波長為0.3～4微米。當透過大氣層時，有相當一部分被大氣中的水汽、云霧、CO2等吸收、散射和反射，直接到達土壤表面的只有一小部分，稱為太陽直接輻射能，輻射強度記為S，占到達地球總輻射能的20%左右。

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，又將其中一部分輻射回地面，稱為天空輻射或大氣輻射，這部分也是短波輻射，記為s，占到達地球總輻射的27%左右，大于前項S。

S+s，稱為總的短波輻射。這部分能量到達地面后，有一部分會被土壤反射回去，用a來代表反射率，則：a=反射出去的短波輻射/投入的總短波輻射，反射出去的部分為(S+s)×a。(二)長波輻射地面接受太陽輻射后，溫度上升，便向大氣層進行長波輻射，波長為4～100微米，其強度記為E。與此同時，大氣因吸熱升高溫度后，又向地面產(chǎn)生長波逆輻射，其強度記為G。這兩種長波輻射的差值，代表地面的有效長波輻射，記為r，

r=E-G(三)輻射平衡

R=〔S+s-(S+s)×a〕-(E-G)=(S+s)(1-a)-r

R可以為瞬時值，也可以是某一段時間的總和。R為正，表明地面輻射收入大于支出，R為負，表明地面輻射支出大于收入。

R的大小，表示增熱與冷卻的程度。三、影響地表輻射平衡的因素(一)太陽的總輻射強度這是影響地面輻射平衡最重要的因素。太陽的總輻射強度主要和緯度有關(guān)，在緯度一定的情況下，和坡向、坡度有關(guān)。

在中緯度地區(qū)，南坡比北坡接受的太陽輻射能多，土溫也比北坡高。坡度越陡，坡向的溫差越大。坡向的這種差異，具有巨大的生態(tài)意義和農(nóng)業(yè)意義。

在中緯度地區(qū)，南坡坡度每增加一度，約相當于緯度南移100公里所產(chǎn)生的影響。在高緯度，由于天空輻射在總輻射中所占比例很大，坡面的不同對土壤熱量的收支影響不大。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，可利用坡向、坡度等小地形因素，來增加接受太陽輻射的數(shù)量，提高土壤溫度。

(二)地面對太陽輻射的反射率1、日照高度日照越高，即太陽光的入射角越大，反射率越小。入射角為45°時，水層反射率為5%，15°時,水層反射率為20%，5°時，水層反射率為50%。2、土壤表面狀態(tài)土壤顏色、粗糙程度、含水量、植被覆蓋度，對太陽輻射的反射強度有極大影響。積雪反射率最大，達75～95%，森林覆蓋為5～20%,低洼過濕的草地為12～30%。

同一土壤，濕土反射率比干土低，深色土壤比淺色土壤反射率低。如黑色土壤為5～15%，而淺灰白色土面為25～45%，粗糙的土面反射率比平滑土面低。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，用各種覆蓋物，或?qū)嵭虚g作套種，能使地面粗糙度增加，減少反射率，有利于提高土溫。

(三)地面有效輻射地面有效輻射是地面凈放出的熱量:

r=E-G，是長波性質(zhì)的輻射，在無云時為

0.12～0.24卡/cm2/分。

1、大氣質(zhì)量云霧、水汽、煙塵能強烈地截留和反射地面放出的長波輻射，使大氣逆輻射增大，減少地面的有效輻射，即減少地表熱量的損失。初秋的夜晚，有云的天氣不很冷，而睛朗的天氣卻比較冷，容易發(fā)生霜凍。2、海拔高度空氣密度、水汽、塵埃等，都隨海拔高度的增加而減小，大氣逆輻射相應減小，有效輻射增大。

這個效應在自然界是相當明顯的，在很多緯度不是很高的地方，平原地區(qū)最低氣溫也在6～7℃，但山峰上卻可以常年積雪。3、地表特征起伏地面比平滑表面輻射面大，有效輻射也大，從這個角度看，地面粗糙，不利于土壤熱量的保存，與反射的情況相反。因此，地表粗糙對土壤熱量收支的影響，不能一概而論。第二節(jié)土壤的熱量平衡一、土壤的熱量平衡土壤接受輻射后，能量有以下幾個去向：1、蒸發(fā)消耗土壤中水分的蒸發(fā)要消耗掉大量的能量。2、向空中散發(fā)的亂流熱。3、生物過程所消耗的熱量。土壤中生物的生理活動需要的熱，這種消耗很少，一般可忽略不計。4、長波輻射。二、影響土壤熱量平衡的因素

(一)影響蒸發(fā)熱交換的因素

在濕潤氣候條件下，很大一部分地面輻射能，通過蒸發(fā)作用，耗散在大氣中，土壤越濕，消耗于蒸發(fā)的熱量越高。

熱帶地區(qū)土壤溫度不致過高，主要是水分蒸發(fā)造成的，如又熱又干，則土溫會很高。影響水面蒸發(fā)的主要因子是溫度、濕度飽和差、風速、氣壓等。影響土壤中水分蒸發(fā)的因素，除上面這些外，還與土壤的水吸力和土壤水由底層向表層傳導的速度有密切關(guān)系。(二）影響亂流熱交換的因素土壤獲得熱量以后，相當大一部分能量傳播給近地面空氣層，借空氣的亂流，進行熱量傳播。因亂流而產(chǎn)生的熱交換，稱為亂流熱交換。在一定時間內(nèi)，土壤表面單位面積上亂流交換的熱量P與溫度的垂直梯度及空氣的熱容量有關(guān)：

P=Ca·Pa·K·dt/dzCa—空氣的重量熱容量

Pa—空氣的密度

K—亂流交換系數(shù)，在單位溫度梯度下，每秒鐘內(nèi)單位土面上，因亂流而進入空氣中的熱量卡數(shù)，單位卡/cm2/秒。

dt/dz—垂直的溫度梯度。1、空氣的重量熱容量是一定的，而空氣的密度受氣壓影響，氣壓高時，這種交換作用加強。2、dt/dz是土壤表面與空氣的溫度梯度，土壤溫度與大氣溫度之差越大，這種交換作用越強；所以太陽輻射強時，土面熱，土壤傳遞給空氣的熱量多，而在夜間，只有長波的逆輻射，因而dt/dz減小，亂流交換也弱。3、k值：溫暖季節(jié)較冷季高，白天比夜間高，晴天比陰天高，風大時比風小時高。4、亂流的大小還與近地層的濕度梯度有關(guān)，濕度梯度愈大，亂流愈強。因此，控制近地層的空氣的溫度與濕度梯度，能有效地控制亂流。

利用防護林網(wǎng)，可以調(diào)節(jié)亂流系數(shù)，減少亂流交換造成的熱量損耗，這在北方地區(qū)是有一定積極意義的。第三節(jié)土壤的熱性質(zhì)一、土壤的熱容量(一)重量熱容量(massheatcapacity)單位重量的土壤每升高1oC所需要的熱量，一般用C來表示，單位是卡/克·度。(二)容積熱容量(volumeheatcapacity)

單位容積的土壤溫度升高1℃所需要的熱量，單位是卡/cm3·度，常用Cv來表示。容積熱容量有兩種。1、Cv=C·D，

D為土壤的容重2、

Cv=0.46Vm+0.60Vo+Vw+0.0003Va

Cv：各組分容積熱容量之和。0.46:一般礦質(zhì)土粒的C為0.17卡/克·度，取比重值2.7，則礦質(zhì)部分的Cv=0.17×2.7=0.46卡/cm3·度。0.60：有機質(zhì)的C為0.46卡/克·度，比重為1.3則有機質(zhì)的Cv=0.46×1.3=0.60卡/cm3·度。土壤水的C和Cv=1.0，故Vw的系數(shù)為1。土壤空氣的C為0.24，比重為0.0013，則土壤空氣的Cv=0.0003，由于數(shù)值小，可忽略不計，但絕不表明空氣的容量是無關(guān)緊要的。從上式中可見，Va越大，總的Cv可能越小，這是因為前三項都受Va的影響，不是獨立變量。在容重一定的情況下，土壤熱容量的大小，主要決定于土壤含水量的多少，因為在土壤中，有機質(zhì)和礦物質(zhì)的相對含量變幅一般不大，前兩項對于特定土壤可以看成常數(shù)，土壤的Cv因土壤含水量的增加而增加。2)土壤的容積熱容量受三相比率的影響，同一種土壤翻松、壓實后，容積熱容量會發(fā)生很大變化。就是說，土壤的容積熱容量受容重的影響。二、土壤導熱率（soilthermalconductivity)

土壤能夠傳導熱量的性質(zhì)稱為土壤導熱性。導熱性的強弱，用導熱率來衡量。土壤導熱率（）

在單位厚度（1厘米）土層，溫差為1℃時，每秒鐘從單位斷面（cm2）通過的熱量焦耳數(shù)。單位是J·

cm

·s-1

·

℃-1。：土壤導熱率；Q:在一定時間內(nèi)流動的熱量；A:土壤面積；T:時間;(t1-t2)/d:土壤溫度梯度。土壤三相物質(zhì)的導熱率差異顯著，水的導熱率為0.0013—0.0014，空氣為0.000055—0.000056，水為空氣的25倍左右。常見礦物的導熱率是在0.004—0.005之間，是水的3.1—3.6倍，因此三相物質(zhì)的導熱率順序為:

固相>液相>氣相。(二)影響導熱率的因素1、土壤含水量和質(zhì)地

濕潤的土壤，導熱率較高，因為水的導熱率比空氣高20多倍。質(zhì)地粗的土壤，不需要很多的水分，就可以在土粒間形成連續(xù)的水膜，使熱量易于通過，故干燥的砂土在剛剛濕潤時,導熱率明顯增加，以后再增加供水，就接近最高導熱率。

粘重的土壤情況基本相反，由于表面積大，形成包被土粒的連續(xù)水膜所需要的水多，最初供水時導熱率增加的不多，繼續(xù)供水，土壤導熱率顯著增加。

2、土壤孔隙度

在干燥的情況下，土壤孔隙中充滿空氣,而空氣的導熱率很低，所以，孔隙度越大，導熱率越低。土壤的容重由1.1增至1.5時(孔隙度由約50%減少到43%)，土壤導熱率由1.0×10-3增至2.1×10-3卡/厘米·秒·度，增加1倍以上。容重增加所造成的導熱率增加，比加水所造成的影響小。例如：將容重為1.1的干土的導熱率作為100，則容重為1.2、1.3、1.5的干土導熱率分別為130，165和210。

當這4種干土有25%的孔隙充滿水時，相對的導熱率別為400、410、420和440，如有50%的孔隙充滿水時，則分別為670、625、800和860。

三、土壤的導溫率

土壤既然能傳導熱量，而熱量能使土壤溫度升高，因此土壤也具有導溫性。

土壤傳導溫度的性能稱為導溫性。

在一定的熱量供給條件下，土壤溫度的變化多少取決于土壤的導熱性和熱容量。(一)導溫率的概念土壤導溫性的強弱通常用導溫率來衡量。導溫率在有些國外文獻稱為熱擴散率：

soilthermaldiffusivity，

soilheatdiffusivity

在土層垂直方向上,每厘米距離內(nèi)有1℃的溫度梯度，每秒流入1cm2斷面面積的熱量，使單位體積(1cm3)土壤所發(fā)生的溫度變化。K=λ/Cv，單位：cm2/s。從式中可知：導溫率與導熱率成正比，與熱容量成反比，當熱容量不變時，導溫率與導熱率變化是一致的，但是，如果熱容量變化時，兩者的表現(xiàn)就不一致了。

(二)影響導溫率的因素主要是三相比例，更確切地說，是液相和氣相的比例。土壤水的導溫率為0.0013，土壤空氣的導溫率為0.00005/0.0003=0.16；土粒的導溫率為0.004～0.005/0.46=0.009～0.011。導溫率的順序為：汽>固>液。從上面數(shù)據(jù)可以看出：導熱率最小的空氣，導溫率最高。在一定的土壤條件下，土壤的導溫性主要決定于土壤水和空氣的比例。干土土溫容易上升，濕土土溫不容易上升。第四節(jié)土壤的溫度狀況

土壤的溫度狀況是指1年當中，1月當中或1天當中土壤上下層間的溫度變化。這種變化是土壤熱量平衡和土壤熱性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

在農(nóng)業(yè)用地上，作物種類、生育時期、栽培措施等對土壤的溫度狀況也有影響，因此，各地的土壤溫度狀況有很大差異。一、土壤溫度的年變化土壤溫度的年變化，多以各土層溫度的月或旬平均值繪成等溫線，或繪成月平均溫度分布曲線。土壤溫度季節(jié)變化的變幅隨深度的增加而減小。在高緯度，消失于25m深處，在中緯度，消失于15—20m深處，在低緯度，消失于5—10m深處。二、土壤溫度的日變化

(一)土壤表面溫度的最高值出現(xiàn)在13—14時左右，為一天中最強的太陽輻射出現(xiàn)后一小時，最高氣溫出現(xiàn)前一小時。日出時表土溫度最低。夏季日間的表土溫度可以遠高于氣溫，在夜間和冬季表土的溫度略高于氣溫，表土的日平均溫度仍高于氣溫。

(二)土溫的日變化以表土最大，愈向深層變幅越小，到40cm處已沒有太多變化，在

60～70～100cm，土溫已沒有變化了。(三)

土溫垂直梯度在1天內(nèi)以14時為最高，夜間大大減小。土溫日變幅的大小，主要取決于輻射平衡的日變化和土壤的熱性質(zhì)，并受地面和大氣間熱量交換的影響。從輻射平衡方面看，天氣狀況，特別是云量，降水、風力對土壤溫度的日變化影響較大。晴天比陰天的變幅要大得多。

植被在白天攔截太陽輻射，減少熱量收入，夜間阻攔地面的長波輻射，使土壤溫度的日變幅減小。三、土壤及近地層大氣熱狀況的調(diào)節(jié)土壤溫度與作物生長的關(guān)系極為密切。低溫不利于土壤肥力的發(fā)揮，直接影響作物生長。

夏季土溫太高，土壤水分蒸發(fā)快，葉面蒸騰量大，易出現(xiàn)干旱。因此，對土壤溫度常常有加以調(diào)節(jié)的必要。

(一)耕作措施1、壟作壟作能夠增加土壤的表面積，增加對輻射的吸收量，并能減少反射。壟作同時增加了長波輻射的熱量，但由于夏天晝長夜短