土壤學(xué)(第六章)-土壤空氣和熱量狀況課件

1、第六章 土壤空氣和熱量狀況土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系主要內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)與要求 1.土壤空氣 2.土壤熱量 3.土壤熱性質(zhì) 4.土壤溫度 1.掌握土壤空氣的組成與大氣組成的差異及土壤空氣運(yùn)動(dòng)的方式；2.了解土壤熱量的來(lái)源，掌握土壤的三個(gè)熱參數(shù);3.理解土壤溫度變化的影響因素。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系第一節(jié) 土壤空氣(Soil Air) 一、土壤空氣組成(soil air composition)氣體O2(%)CO2(%)N2 (%)其它氣體(%)近地表大氣20.940.0378.050.98土壤空氣18.020.030.150.6578.880.240.98表61土壤空氣

2、與大氣組成差異土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系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。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 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)。 二、土壤空氣含量(soil air content) 土壤空氣含量=總孔度-水分容積百分率。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土

3、地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系表62 覆膜和裸露棉田在不同生長(zhǎng)期內(nèi)土壤空氣含量 （%）土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系三、土壤空氣與作物生長(zhǎng) 1.土壤空氣與根系 (1) 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。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 (2) 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520，則為致死的含量。 (3) 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。2.土壤空氣與種子萌發(fā)(bourgeon) 種子萌發(fā)，所需氧氣主要由土壤空氣提供，

4、缺氧時(shí)，葡萄糖酒精發(fā)酵，產(chǎn)生酒精，使種子受害。 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系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)，從而影響有機(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，也需要通氣良好條件下的呼吸作用提供能量。 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；土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系(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) 傷口呼吸顯著增強(qiáng)，利于傷口愈合，減少病菌侵染。四、土壤空氣與大氣痕量溫室氣體(greenhouse gasse

5、s)的關(guān)系 大氣中痕量(trace quantity)溫室氣體（CO2、CH4、N2O、氟氯烴化合物）導(dǎo)致的氣候變暖，是人們非常關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題。土壤是大氣痕量溫室氣體的源(source)和匯(sink) 。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 土壤向大氣釋放溫室氣體，因此說(shuō)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(chēng)為匯。五、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)1.土壤空氣的對(duì)流(convection) 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(chēng)質(zhì)流。對(duì)流由高壓區(qū)流向低壓區(qū)?？倝毫μ荻鹊漠a(chǎn)生：土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 氣壓變化、溫度梯度、土壤表層風(fēng)力、降水或灌溉等。

6、土壤對(duì)流公式：qv=-(k/)p qv空氣的容積對(duì)流量（單位時(shí)間通過(guò)單位橫截面積的空氣容積）； k通氣孔隙通氣率； 土壤空氣的粘度； p土壤空氣壓力的三維（向）梯度； 負(fù)號(hào)表示方向。 從公式可見(jiàn)空氣對(duì)流量隨土壤透氣率和氣壓梯度增加而增大。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系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(chēng)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(guò)程分氣相、液相兩部分。 氣相擴(kuò)散：通過(guò)充氣孔隙擴(kuò)散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用 液相擴(kuò)散：通過(guò)不同厚度水膜的擴(kuò)散 兩種擴(kuò)散

7、都可以用費(fèi)克（Fick）定律表示： qd =Ddc/dx 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 qd擴(kuò)散通量(單位時(shí)間通過(guò)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(jiàn)，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(lái)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)，主要取決于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=D0Sl/le土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 D0自由空氣中的擴(kuò)散系數(shù)； S未被水分占據(jù)的

8、孔隙度； l土層厚度； le氣體分子擴(kuò)散通過(guò)的實(shí)際長(zhǎng)度。 l/le和S的值都小于1。 結(jié)構(gòu)良好的土壤中，氣體在團(tuán)聚體間的大孔隙間擴(kuò)散，而團(tuán)聚體內(nèi)的小孔隙則較長(zhǎng)時(shí)間保持或接近水飽和狀態(tài)，限制團(tuán)聚體內(nèi)部的通氣性狀。所以緊實(shí)的大團(tuán)塊，即使周?chē)罂紫锻饬己茫趫F(tuán)塊內(nèi)部仍可能是缺氧的。所以通氣良好的旱地也會(huì)有厭氣性的微環(huán)境。 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系六、土壤通氣指標(biāo) 1.土壤孔隙度 總孔隙度5055%或60%，其中通氣孔度要求810%，最好1520%。這樣可以使土壤有一定保水能力又可透水通氣。2.土壤呼吸強(qiáng)度(intensity of soil respiration) 單位時(shí)間通過(guò)單位

9、斷面(或單位土重)的CO2數(shù)量 土壤呼吸強(qiáng)度不僅可作為土壤通氣指標(biāo)，而且是反映土壤肥力狀況的一個(gè)綜合指標(biāo)。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系3.土壤透水性 (water permeability) 水田土壤適當(dāng)?shù)耐杆钥煞从惩寥劳杆鉅顩r。4.土壤氧化還原電位 (redox potential) 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系第二節(jié) 土壤熱量(soil quantity of heat)一、土壤熱量來(lái)源1.太陽(yáng)輻射能(solar radiant energy) 土壤熱量的最根本來(lái)源。太陽(yáng)能的99%為短波（波長(zhǎng)0.34m）輻射。當(dāng)太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，一部分熱量被大氣吸收散射，一部

10、分被云層和地面反射，而土壤只吸收其中的一少部分。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系2.生物熱(biotherm) 微生物分解有機(jī)質(zhì)過(guò)程是放熱過(guò)程。釋放的熱量一部分作為微生物的能源，大部分用來(lái)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)。3.地?zé)?terrestrial heat) 地殼傳熱能力差，對(duì)土壤溫度影響極小，可忽略不計(jì) 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系二、土壤表面的輻射平衡及影響因素1.地面輻射平衡 收入： 支出： 太陽(yáng)直接短波輻射(I) 地面短波反射(I+H) 天空(大氣)短波輻射(H) 地面長(zhǎng)波輻射 E 逆

11、輻射(長(zhǎng)波輻射) (G) I+H投入地面的太陽(yáng)總短波輻射(環(huán)球輻射) (I+H)被地面反射出的短波輻射,(為反射率) r = EG 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；土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 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) +(GE) =(I+H)(1) r2.影響地面輻射平衡的因素 太陽(yáng)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(yáng)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。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 地面的反射率 太陽(yáng)入射角、日照高度

12、、地面的狀況，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 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。 海拔高度。海拔高，大氣逆輻射少，有效輻射增大。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 地表特征。起伏、粗糙的地表比平滑地表有效輻射大 地面覆蓋。導(dǎo)熱性差的地被物可減少地面的有效輻射三、土壤熱量平衡(soil heat balance) 地面輻射平衡是土壤熱量平衡的基礎(chǔ)，但后者對(duì)土壤熱量狀況的影響更顯著。 當(dāng)土面獲得的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)，其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(guò)

13、熱交換傳導(dǎo)至土壤下層。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 根據(jù)下圖，假定太陽(yáng)輻射能有47%到地面，蒸發(fā)蒸騰消耗占23%，長(zhǎng)波凈輻射占14%，對(duì)流傳導(dǎo)占10%。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系土壤收支平衡表示式 S=RPLE+B 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。 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土

14、地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 第三節(jié) 土壤熱性質(zhì)(soil heat regime)一、土壤熱容量(soil thermal capacity) 重量熱容量(ponderance thermal capacity) （Cp）：指單位重量土壤溫度升高1所需的熱量（J/g.）。 容積熱容量(volume thermal capacity) （Cv）：指單位容積的土壤溫度升高1所需的熱量（J/cm3.）。Cv=Cp土壤容重土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系63 土壤不同組分的熱容量 土壤組成物質(zhì)重量熱容量(J/g)容積熱容量(J/cm3)粗石英砂0.7452.163高 嶺 石0.9752.410石 灰0.

15、8952.435Fe2O30.682Al2O30.908腐 殖 質(zhì)1.9962.515土壤空氣1.0041.25510-3土壤水分4.1844.184土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 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 = mCvVm + OCvVo wCvVw+aCvVa 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。 因?yàn)闅怏w的熱容量可忽略，所以公式可簡(jiǎn)化為： CV=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/(cm3) 土壤學(xué)

16、資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 影響土壤熱容量的組分中，土壤水起了決定性作用。 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； 固相中，腐殖質(zhì)的熱容量與其他成分相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，其他各組分的熱容量彼此差異不大，所以土壤熱容量的大小主要決定于土壤水分的多少和腐殖質(zhì)的含量。但是有機(jī)質(zhì)的含量比較固定，很難在短期內(nèi)改善，只有水分是易變量，可以通過(guò)灌排調(diào)節(jié)土溫。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系二、土壤導(dǎo)熱率(soil thermal conductivity)1.概念 導(dǎo)熱性：土壤具有的將所吸熱量傳導(dǎo)到鄰近土層的性質(zhì)。導(dǎo)熱率：?jiǎn)挝缓穸龋?cm）土層，溫差1，每秒經(jīng)單位斷面（1cm2）通

17、過(guò)的熱量卡數(shù)。 水的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)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，特別是疏松孔隙多因而空氣多的土壤，導(dǎo)熱率小。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系土壤組成分導(dǎo)熱率石英4.42710-2濕砂粒1.67410-2干砂粒1.67410-3泥炭6.27610-4腐殖質(zhì)1.25510-2土壤水5.02110-3土壤空氣2.09210-4表6-4 土壤不同組成分的導(dǎo)熱率（J/cms） 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 若含水量低但土壤緊實(shí)，熱量可通過(guò)土粒(礦物質(zhì))傳導(dǎo)，導(dǎo)熱率則較大。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

18、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(guò)低，因而導(dǎo)熱性好的濕潤(rùn)土壤晝夜溫差較小。 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系三、土壤熱擴(kuò)散率(soil thermal diffusivity) 土壤溫度決定于土壤的導(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則決定于其熱擴(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1 cm2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。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系D=/ Cv（cm2/s）式中 土壤導(dǎo)熱率； Cv土壤容積熱容量2.影

19、響因素 影響和Cv土壤因素有質(zhì)地、松緊度、結(jié)構(gòu)及孔隙狀況等。 土壤水的D=5.02110-3 土壤空氣的D=2.09210-4 1.25510-3 土粒的D=8.410-32.510-2/1.9土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系 對(duì)于土壤，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。 在實(shí)際應(yīng)用中當(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吭黾樱虲v都增大，但后期土壤含水量增大，雖然增大，但Cv增大更快一些，所以D反而逐漸減小。 土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系第四節(jié) 土壤溫度(soil temperature) 一、土壤溫度年變化(annual variation) 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(chēng)為“時(shí)滯”。溫度的變幅也隨土層深度而縮小，至520米深處，土溫年變幅消失。 在升溫階段，表土溫度高，底土溫度低，熱量由表土向底土傳導(dǎo)；降溫階段則相反。土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土地資源與農(nóng)業(yè)化學(xué)系二、土溫日變化 土表溫度最高值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間1314時(shí)，最低溫出現(xiàn)在