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(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(zhǎng)。

第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、土壤空氣與作物生長(zhǎng)

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(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(zhǎng)，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。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(shí)，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(dòng)（1）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。（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(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。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(guān)系

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。土壤對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)的改善與水旱輪作此外,還有對(duì)于旱地：中耕松土、深耙勤鋤、破除地表板結(jié)對(duì)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(zhǎng)。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日五、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)

1、土壤空氣的對(duì)流（整體交換）

土壤與大氣間由總壓力梯度推動(dòng)的氣體整體流動(dòng)，也稱質(zhì)流。對(duì)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(fēng)力、降水或灌溉等。

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(duì)流量隨土壤透氣率和氣壓梯度增加而增大土壤對(duì)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(kuò)散在大氣和土壤之間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。土壤中CO2和O2的擴(kuò)散過程分氣相、液相兩部分。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)散兩種擴(kuò)散都可以用費(fèi)克(Fick)定律表示：

qd=-Ddc/dx

氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日式中：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；D--在該介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)(其量綱為面積/時(shí)間)

從公式可見，氣體擴(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。

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(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(zhǎng)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(zhǎng)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。

第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日六、土壤通氣指標(biāo)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(qiáng)度單位時(shí)間通過單位斷面（或單位土重）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)。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(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。第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日微生物分解有機(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。在保護(hù)地的栽培和早春育秧中，施用有機(jī)肥并添加熱性物質(zhì)，如半腐熟的馬糞等，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)或幼苗早發(fā)快長(zhǎng)。

2生物熱3地?zé)岬貧鳠崮芰Σ?，?duì)土壤溫度影響極小，可忽略不計(jì)

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(zhǎng)波輻射E逆輻射(長(zhǎng)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(jìn)行長(zhǎng)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(qiáng)度

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。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(fēng)。強(qiáng)烈吸收和反射地面發(fā)出的長(zhǎng)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(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。據(jù)右圖，設(shè)太陽輻射能有47%到地面，蒸騰消耗占23%，長(zhǎng)波凈輻射占14%，對(duì)流傳導(dǎo)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(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；B—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，白天熱量平衡方程計(jì)算出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+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(zhì)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(fù)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(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(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??；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(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。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、土壤導(dǎo)熱率

1、概念

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)通過的熱量卡數(shù)。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，特別是疏松孔隙多的土壤，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。導(dǎo)熱性導(dǎo)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(dǎo)熱率的意義導(dǎo)熱性好的濕潤(rùn)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(rùn)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(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。1、概念指在標(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，以D表示。

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

影響λ和Cv：質(zhì)地、松緊度、結(jié)構(gòu)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(zhì)組成穩(wěn)定，土壤擴(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。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(dá)最高；降溫階段，一般是為7月至次年1月，1月達(dá)最低。

土層愈深，最高溫和最低溫達(dá)到的時(shí)間落后于表層土壤，稱為“時(shí)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(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。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(qiáng)度。隨緯度由低到高，自南而北土壤表面接受的輻射強(qiáng)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