第三章(1)土壤流體之土壤空氣與熱量

1、第三章（一）第三章（一） 土壤空氣和熱量狀況土壤空氣和熱量狀況【教學目標】*土壤空氣狀況1了解土壤空氣的組成特點與大氣的差異以及產生原因2重點掌握土壤空氣運動的方式，為什么說擴散運動方式是土壤空氣運動的主要機制3了解土壤空氣影響植物生長和土壤肥力的哪些方面4在農業(yè)生產中，一般用哪些措施來調節(jié)土壤空氣狀況*土壤熱量狀況1了解土壤熱量的來源，為什么說太陽輻射能是土壤熱量最基本的來源2重點掌握土壤的熱性質以及它們在土壤中的變化和相互關系3掌握土壤溫度的日變化、年變化和對植物生長和土壤肥力的影響4采用哪些措施、在一定程度上可調節(jié)土壤的溫度狀況第三章（一）第三章（一） 土壤空氣和熱量狀況土壤空氣和熱量狀

2、況 第三章（一）第三章（一） 土壤空氣和熱量土壤空氣和熱量第一節(jié)第一節(jié) 土壤空氣土壤空氣 一一 土壤空氣的組成土壤空氣的組成 二二土壤空氣的運動土壤空氣的運動 三三土壤空氣與土壤肥力土壤空氣與土壤肥力 1 1 土壤空氣的組成與植物生長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%） 第三章（一）第三章（一） 土壤空氣和熱量土壤空氣和熱量土壤空氣和進地面大氣空氣組成的差異土壤空氣和進地面大氣空氣組成的差異 1土壤空

3、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。 深度/cm覆 膜露 地05-0107-2905-0107-29CO2O2CO2O2CO2O2CO2O200.9150.0560.05650.15820.4971.00620.4390.7020.6490.21120.653100.42020.3971.06020.2750.10420.5130.27920.668150.25020.4860.86519.9530.13420.8570.38520.506200.48320.

4、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土壤空氣含量(%) 土壤空氣的變化規(guī)律：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，無論在膜地或露地均是如此； 氣溫和土溫升高，根系呼吸加加強，微生物活動加快，土壤空氣中CO2含量增加，

5、夏季CO2含量最高； 覆膜田塊的CO2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1922%之間， 土壤空氣對植物生長的影響，有許多過程和因素需進土壤空氣對植物生長的影響，有許多過程和因素需進一步研究。如土壤微生物需一步研究。如土壤微生物需OO2 2有一個很寬的范圍。有一個很寬的范圍。僅僅一個空氣容量指標并不能肯定土壤是否能滿足植僅僅一個空氣容量指標并不能肯定土壤是否能滿足植物和微生物對氧的需求。物和微生物對氧的需求。土壤中土壤中COCO2 2濃度對植物生長濃度對植物生長的影響也有待進一步研究。的影響也有待進一步研究?，F(xiàn)有的研究表明，某

6、一特定植物對現(xiàn)有的研究表明，某一特定植物對COCO2 2濃度有一最佳值濃度有一最佳值, ,過高或過低都會引起根系生長衰退。過高或過低都會引起根系生長衰退。過高濃度過高濃度COCO2 2往往往往伴隨缺伴隨缺O(jiān)O2 2而造成不良后果，但而造成不良后果，但一定濃度一定濃度COCO2 2對植物生長對植物生長也有促進作用，而且也有促進作用，而且COCO2 2造成的土壤溶液的微酸性也造成的土壤溶液的微酸性也有有利于有些土壤養(yǎng)分的釋放利于有些土壤養(yǎng)分的釋放. .注意：注意：二、二、 土壤中的空氣流土壤中的空氣流（一）、對流（一）、對流 對流，又稱質流，驅動力是總氣壓梯度，它使氣流沖從高壓區(qū)向低壓區(qū)運動。 2

7、2/xtP 方程4.9就是土壤空氣瞬態(tài)對流的近似方程。必須說明: 使用此方程的基本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生的。 （二）土壤空氣擴散（二）土壤空氣擴散（soil air diffusion) 氣體擴散氣體擴散是指氣體分子由濃度大（或分壓大）處向濃度是指氣體分子由濃度大（或分壓大）處向濃度?。ɑ蚍謮盒。┨幍倪\動，它是由氣體分子的熱運動（或稱小（或分壓?。┨幍倪\動，它是由氣體分子的熱運動（或稱布朗運動）引起的布朗運動）引起的土壤中氣體擴散過程也可用Fick第一定律表示。 （4.10）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

8、容積分數(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： （4.11）式中表示濃度與分壓的換算常數(shù)（比值 dxdcDqsdxdPDqs)/(注意：注意：首先，土壤中氣體表觀擴散系數(shù)Ds必然比自由大氣中的擴散系數(shù)Do小。 其次，水在土中的傳導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不同充氣孔隙度下草甸褐土透氣率K K值值( (北京農業(yè)大學北京農業(yè)大學 1989)1989)基質勢基質勢(hPa)含水率含水率(%)充氣孔度充氣孔度(%)K( m/s)-9.840.2414.0612-9825.4728.83133-31023.0731.2327205

9、4.30682三、三、 土壤通氣性土壤通氣性(soil aeration) (soil aeration) （一）、土壤通氣性的定義和指標（一）、土壤通氣性的定義和指標 土壤通氣性土壤通氣性是泛指土壤空氣與大氣進行交換以及土是泛指土壤空氣與大氣進行交換以及土體內部允許氣體擴散和通氣的能力。體內部允許氣體擴散和通氣的能力。 1 1靜態(tài)指標靜態(tài)指標 （1 1）容積分數(shù)或充氣孔隙度）容積分數(shù)或充氣孔隙度 （2 2）土壤的空氣組成）土壤的空氣組成 （COCO2 2和和OO2 2等的含量）等的含量） 取樣的代表性不十分確定取樣的代表性不十分確定 2 2土壤通氣量土壤通氣量(soil air flux)(

10、soil air flux) 土壤通氣量土壤通氣量是指在單位時間內，單位壓力下，進入單是指在單位時間內，單位壓力下，進入單位體積土壤中的氣體總量（位體積土壤中的氣體總量（COCO2 2和和OO2 2），常用單位是毫升），常用單位是毫升 厘米厘米-2-2 秒秒-1 -1。土壤通氣量的大小標志著土壤通氣性好壞，。土壤通氣量的大小標志著土壤通氣性好壞，通氣量大則土壤通氣性良好。通氣量大則土壤通氣性良好。3 3土壤氧化還原電位（土壤氧化還原電位（EhEh） 土壤的土壤的EhEh取決于土壤溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質的取決于土壤溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質的濃度比，而后者又主要取決于土壤中的氧化壓或溶濃度比，而

11、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。因解態(tài)氧的濃度，這就直接與土壤通氣性相聯(lián)系。因此此E Eh h可以做為土壤通氣性的指標，它指示土壤溶液可以做為土壤通氣性的指標，它指示土壤溶液中氧壓的高低，反映土壤通氣排水狀況。中氧壓的高低，反映土壤通氣排水狀況。 059. 0還原態(tài)氧化態(tài)LognEEoh（二）、土壤通氣性的調節(jié)（二）、土壤通氣性的調節(jié)1、調節(jié)土壤水分含量 2、改良土壤結構 3、通過各種耕作手段來調節(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。 課堂測驗：課

12、堂測驗：1、土壤空氣質量的好壞關鍵不在其含量而于其質量( )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致土壤通氣性的變化( )。7、土壤和土壤空氣是矛盾的，永遠無法調和的( )8、在土壤 通氣性中，對流比擴散更重要( )9、土壤Eh值主要由氧體系的氧化還原電位來決定。( )10、土壤通氣的好壞主要受含水量和結構性的影響( )。第二節(jié)土壤熱量(Soil heat)一、土壤熱量的來源一、土壤熱量的來源（一）太陽的輻射能（一）太陽的輻射能 垂直于太

13、陽光下一平方厘米垂直于太陽光下一平方厘米的黑體表面在一分鐘內吸收的黑體表面在一分鐘內吸收的輻射能常數(shù)），稱作的輻射能常數(shù)），稱作太陽太陽常數(shù)常數(shù)，一般為，一般為1.9k/cm2/min。 9999的太陽能包含在的太陽能包含在0.3-4.00.3-4.0微米的波長內，這一范圍的微米的波長內，這一范圍的波長通常稱為短波輻射。波長通常稱為短波輻射。當太陽輻射通過大氣層時，當太陽輻射通過大氣層時，其熱量一部分被大氣吸收散其熱量一部分被大氣吸收散射，一部分被云層和地面反射，一部分被云層和地面反射，土壤吸收其中的一少部射，土壤吸收其中的一少部分。分。 HIEa（二）生物熱（二）生物熱 據估算，含有機質4的

14、土壤，每英畝耕層有機質的潛能為6.281096.99109KJ，相當于2050噸無煙煤的熱量。 （三）地球內熱（三）地球內熱 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 （一）地面輻射平衡（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+HI+H之和為投入地面的太陽總短波輻射，又稱為之和為投入地面的太陽總短波輻射，又稱為環(huán)球輻射環(huán)球輻射 （二）

15、影響地面輻射平衡的因素（二）影響地面輻射平衡的因素 1 1、太陽的輻射強度、太陽的輻射強度 日照角越大日照角越大 ，坡度越大，地面接受的太陽輻射越多。，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，約相當于緯度南移在中緯度地區(qū)，南坡坡地每增加一度，約相當于緯度南移100公里所產生的影響。公里所產生的影響。 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。坡向的這種差異具有比北坡高。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)意義和農業(yè)意義。巨大的生態(tài)意義和農業(yè)意義。 2

16、 2、地面的反射率、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、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。粗糙程度、含水狀況，植被及其他覆蓋物等都影響反射率。3 3、地面有效輻射、地面有效輻射 影響地面有效輻射的因子有：影響地面有效輻射的因子有： （1 1）云霧、水汽和風：它們能強烈吸收和反射地面）云霧、水汽和風：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；效輻射減少； （2 2）海拔高度：空氣密度、水汽、塵埃隨海拔高）海拔高度：

17、空氣密度、水汽、塵埃隨海拔高度增加而減少，大氣逆輻射相應減少，有效輻射增大；度增加而減少，大氣逆輻射相應減少，有效輻射增大； （3 3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面輻）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；射面大，有效輻射也大； （4 4）地面覆蓋：導熱性差的物體如秸桿、草皮、）地面覆蓋：導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。殘枝落葉等覆蓋地面時，可減少地面的有效輻射。三、土壤的熱量平衡三、土壤的熱量平衡土壤熱量收支平衡可用下式表示：土壤熱量收支平衡可用下式表示：S = Q S = Q P P L LE E + R + R S為土

18、壤在單位時間內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。 第三節(jié)第三節(jié) 土壤熱性質土壤熱性質一、土壤熱容量一、土壤熱容量(soil heat capacity,soil thermal capacity)(soil heat capacity,soil thermal capacity) 土壤熱容量土壤熱容量是指單位質量（重量）或容積的土壤每升高是指單位質量（重量）或容積的土壤每升高（或降低）（或降低）11所需要（或放出的）熱量。所需要（或放出的）熱量。C C代表質量（重量

19、）代表質量（重量）熱容量熱容量(mass heat capacity)(mass heat capacity)，單位是，單位是JgJg-1 -1-1 -1。 C Cv v代表容積熱容量代表容積熱容量(volume heat capacity)(volume heat capacity)，單位是（，單位是（JcmJcm-3-3-1 -1）。）。 請注意礦物質、有機質、水的兩種熱容量值。請注意礦物質、有機質、水的兩種熱容量值。土壤的容積熱容量（土壤的容積熱容量（CvCv）可用下式表示：）可用下式表示： Cv = mCvVm + oCvVo Cv = mCvVm + oCvVo wCvVw+aCvV

20、a (6wCvVw+aCvVa (67)7)因空氣的熱容量很小，可忽略不計，故土壤熱容量可簡化為：因空氣的熱容量很小，可忽略不計，故土壤熱容量可簡化為： Cv = 1.9Vm + 2.5Vo + 4.2Vw (JcmCv = 1.9Vm + 2.5Vo + 4.2Vw (Jcm-3-3 C C-1 -1) ) (68)63 土壤不同組分的熱容量土壤組成物質重量熱容量（Jg-1c-1）容積熱容量(Jcm-3c-1)粗石英砂0.7452.163高 嶺 石0.9752.410石 灰0.8952.435Fe2O30.682Al2O30.908腐 殖 質1.9962.515土壤空氣1.0041.2551

21、0-3土壤水分4.1844.184表表6-1 6-1 不同土壤組分的熱容量不同土壤組分的熱容量要注意要注意C C和和CVCV之間的換算，對于均質的土壤而言之間的換算，對于均質的土壤而言 C CV V= rC= rC (1) (1)有些書上用有些書上用 C CV V=C =C (2) (2)來表示是不正確的，來表示是不正確的，表示土壤容重，表示土壤容重， 應用下式表示應用下式表示 C=CC=Cs sMMs s + C + CwwMMww + C + Ca aMMa a (3) (3) 式中式中C Cs s, C, Cww, C, Ca a分別表示土壤固相、液相和氣相的質量熱容量；分別表示土壤固相

22、、液相和氣相的質量熱容量；MMs s, M, Mww, , MMa a分別表示單位質量土壤中固相、液相和氣相所占的質量分別表示單位質量土壤中固相、液相和氣相所占的質量( (比例）。比例）。 如如果用容積熱容量表示果用容積熱容量表示 C Cv v=C=CvsvsV Vs s + C + CvwvwV Vww + C + CvavaV Va a (4) (4) 式中式中V Vs s, V, Vww, V, Va a分別表示單位容積土壤中固相、液相和氣相所占的比例，分別表示單位容積土壤中固相、液相和氣相所占的比例，C Cvsvs, C, Cvwvw, C, Cvava分別表示土壤中固相、液相和氣相的

23、容積熱容量（比例）。分別表示土壤中固相、液相和氣相的容積熱容量（比例）。 在式在式(4)(4)中，由于氣體的熱容量中，由于氣體的熱容量CvCv很小，相對可以忽略，于是式很小，相對可以忽略，于是式(4)(4)可可寫成寫成 C CV V=C=CvsvsV Vs s +C +Cvwvw V Vww (5) (5) 在式在式(5)(5)中，中，V Vww=v v( (土壤容積含水量土壤容積含水量) )，根據式，根據式(1)(1) C Cvsvs=r=rs sCsCs (6) (6) r rs s=M=MS S/V/VS S= /V= /VS S V Vs s=/r=/rs s (7) (7)將將(6)

24、(6)、(7)(7)代入式代入式(5)(5)得得 C Cv v=C=Cs s + C + Cvwvw v v (8) (8)一般情況下，水的熱容量可以一般情況下，水的熱容量可以4.18J.cm3/4.18J.cm3/，當有機質含量不高時，固相物，當有機質含量不高時，固相物質的質量熱容量可以近似取質的質量熱容量可以近似取0.85J/g/0.85J/g/，則式，則式(8)(8)可變?yōu)榭勺優(yōu)?C Cv v=0.85+ 4.18 =0.85+ 4.18 v v (9) (9)由式(9)可以看出， 土壤熱容量隨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容重變化很小，而其含水量則變化很大，故水

25、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。 二、土壤導熱率二、土壤導熱率導熱性導熱性: : 土壤具有對所吸熱量傳導到鄰近土層性質，稱為土壤具有對所吸熱量傳導到鄰近土層性質，稱為導熱性。導熱性大小用導熱率表示。導熱性。導熱性大小用導熱率表示。導熱率導熱率:heat conductivity,thermal conductivity:heat conductivity,thermal conductivity 在單位厚度（在單位厚度（1 1厘米）土層，溫差為厘米）土層，溫差為11時，每秒時，每秒鐘經單位斷面（鐘經單位斷面（1 1厘米厘米2 2）通過的熱量

26、焦耳數(shù)（）通過的熱量焦耳數(shù)（ ）。）。其單位是其單位是J.cmJ.cm-2-2.s .s-1 -1.-1 -1。 )(/)(/2121ttATQddttATQ或 當土壤干燥缺水時，土粒間的土壤孔隙當土壤干燥缺水時，土粒間的土壤孔隙被空氣占領，導熱率就小。當土壤濕潤時，被空氣占領，導熱率就小。當土壤濕潤時，土粒間的孔隙被水分占領，導熱率增大。土粒間的孔隙被水分占領，導熱率增大。表6-4 土 壤 不 同 組 成 分 的 導 熱 率 （ 焦 耳 /厘 米 秒 度 ）土 壤 組 成 分導 熱 率石 英4.427 10-2濕 砂 粒1.674 10-2干 砂 粒1.674 10-3泥 炭6.276 10

27、-4腐 殖 質1.255 10-2土 壤 水5.021 10-3土 壤 空 氣2.092 10-4三、土壤的熱擴散率三、土壤的熱擴散率 土壤熱擴散率土壤熱擴散率 是指在標是指在標準狀況下，在土層垂直方向上準狀況下，在土層垂直方向上每厘米距離內，每厘米距離內，11的溫度梯度的溫度梯度下，每秒流入下，每秒流入1cm1cm2 2土壤斷面面土壤斷面面積的熱量，使單位體積（積的熱量，使單位體積（1cm1cm3 3）土壤所發(fā)生的溫度變化。其大土壤所發(fā)生的溫度變化。其大小等于土壤導熱率小等于土壤導熱率/ /容積熱容量容積熱容量之比值。之比值。)/(2秒厘米CvD上式中:為土壤導熱率， Cv為土壤容積熱容量。

28、第四節(jié)第四節(jié) 土壤溫度（土壤溫度（Soil temperature)Soil temperature)一、土壤溫度的季節(jié)或月變化二、土壤溫度的日變化二、土壤溫度的日變化二、土壤溫度的日變化三、地形地貌和土壤性質對土溫的影響三、地形地貌和土壤性質對土溫的影響 ( (一）海拔高度對土壤溫度的影響一）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。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（二）坡向與坡度對土壤溫度的影響 坡地接受的太陽輻射因坡向和坡度而不同；坡地接受的太陽輻射因坡向和坡度而不同； 不同的坡向和坡度上，土壤蒸發(fā)強度不一樣，

29、土壤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早發(fā)、早熟。坡的土壤溫度和水分狀況可以促進早發(fā)、早熟。 （三）土壤的組成和性質對土壤溫度的影響（三）土壤的組成和性質對土壤溫度的影響 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況下，土壤顏色的差異可以使不同土壤在

30、同一時間的土表溫度相差度相差2 244，園藝栽培中或農作物的苗床中，有的在表面，園藝栽培中或農作物的苗床中，有的在表面覆蓋一層爐碴、草木灰或土雜肥等深色物質以提高土溫。覆蓋一層爐碴、草木灰或土雜肥等深色物質以提高土溫。 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根萌生，根系短而粗，顏色暗，根毛大量減少。 據北京農業(yè)大學實驗站對棉花地的觀測，結果表明：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O2占70%以上時,棉花根系能正常生長；而CO2占60%以上時，根系生長完全停止。 土壤空氣氧濃度臨界值(Vol%)作 物O2臨界值 作 者大 麥7%10%Geisler 1969玉 米14%Geisler 1969豌 豆20%Ammore,1961, Ge