第四章土壤空气和热量

二、土壤通气性
• 土壤通气性泛指土壤空气与大气进行交换、 不同土层之间气体扩散或交换的能力。
（一）土壤通气性的重要意义
• 其重要性在于补充氧气。 • 如果没有大气氧气的补充，土壤中的氧气 将迅速被耗尽，缺氧将严重影响根系的正 常生长，影响好气微生物的活动，从而影 响土壤养分的有效化。一些有毒的还原性 物质的累积将毒害根系，严重时会使植物 死亡。 • 因此，土壤必须具有一定的通气性。
（二）土壤通气性的机制
1、气体扩散 指某种气体由于分压梯度而产生的移动。 这是土壤与大气进行气体交换的主要形式。 土壤呼吸: O2（大气） 土壤 CO2（土壤） 大气
2、气体整体流动
• 由于土壤空气与大气之间存在总压力梯度 而引起的气体运动，称为整体流动。 • 温度、气压、降水、灌溉水的挤压等都可 以引起气体的整体流动。
• R随时间而变（年、月、日、瞬间） • 当R为正值，地面辐射收入大于支出，地 面增温； • 当R为负值，地面辐射收入小于支出，地 面降温； • 一般白天R为正值，地面增温； • 夜间R为负值，地面降温。
（二）影响地面辐射平衡的因素
1、太阳辐射强度 ---太阳的总辐射强度取决于气候（天气）情 况。 ---晴天的辐射强度比阴天大； ---日照角越大，单位面积上接受的热量越多， 辐射强度越高（中午，垂直，最高） ---北半球的南坡，太阳入射角比平地大，土 温比平地高；南坡土温比北坡高。
四、土壤热性质
一、土壤热容量（C） 土壤热容量指单位质量或容积的土壤每升 高（或降低）1º C所需要（或放出）的热容 量。 C = Cv*ρ ρ:土壤容重
• 水的热容量最大（4.184）; • 气体的热容量最小(1.255*10-3); • 矿物质(2.163-2.435)和有机质(2.515)热 容量介于其中。 • 在固相组成物质中，腐殖质热容量大于 矿物质。 • 土壤热容量主要取决于水分含量的多少 和腐殖质含量。
地面的热量平衡（北半球）
• 土壤热量收支平衡可用下式表示： S= Q ± P ± LE + R S：土壤在单位时间内实际获得获失去的 热量； Q：辐射平衡； P：土壤与大气之间的喘流热交换； L：水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的 热量损失或增加的量； R：土面与土壤下层之间的热交换
• 一般地说，白天的热量平衡为正值，即土 温升高；夜晚S为负值，土温降低。
（四）地面覆盖 常用的有塑料薄膜、草帘、槁杆等。覆 盖可以提高土温，减少蒸发。 （五）特殊措施 设立风障，建立温室、使用土面增温剂 等
（3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑 表面的辐射面大，有效辐射也大。 （4）地面覆盖：导热性差的物体，如秸杆、 草皮、残枝、落叶等覆盖地面时，可以 减少地面的有效辐射。
三、地面的热量平衡
• 当土壤所获得的热量转化为热能时，这些 热量大部分消耗于土壤水分的蒸发和大气 之间的喘流热交换上，另外一小部分消耗 在生物活动上，只有很少部分通过热交换 传导至土壤下层。 • 单位面积上每单位时间内垂直通过的热量 叫热通量，以R表示。
D=λ/Cv(cm2/s)
• 土壤的热扩散率主要取决于土壤水和空 气的比例。 • 总体上说，干土土温容易上升，湿土土 温不易上升。但关系比较复杂（见图）
四、土壤温度变化的一般规律
（一）土壤温度的季节或月变化
土壤质地和含水率对热扩散率 的影响
无冰冻地区随季节变化的土壤 温度剖面
夏季土壤温度随深度日变化
2、地面反射率
• 反射率越大，地面接受的热量越低； • 地面对太阳辐射的反射率与太阳的入射角、 日照高度、地面的状况有关。入射角大， 反射率低。 • 土壤的颜色、粗糙程度、含水状况、植被 及其它覆盖等都影响反射率。
3、地面有效辐射
• 影响地面有效辐射的因子有： （1）云雾、水汽和风：它们能强烈吸收和反 射地面的长波辐射，是大气逆辐射增大， 地面有效辐射减少。 （2）海拔高度：空气密度、水汽、尘埃随海 拔高度增加而减少，大气逆辐射相应减少、 有效辐射增大。
（三）合理耕作、轮作、蓄水、通气、增 温 1、深耕： 使耕层疏松，减弱毛管作用，增大孔隙， 因此增加透水蓄水能力，减少土壤蒸发， 改善土壤通气状况，降低土壤热容量和 导热率，有利于土壤增温
2、中耕 中耕可以疏松表土，切断毛管，减少蒸 发，有助于表土升温 3、轮作和垄作 ---水旱轮作，可以改善土壤通气状况 ---垄作相对地降低了地下水位，增加了土 壤接受阳光的表面积，增加土壤蒸发， 有利于土壤升温，是低湿地改善水、气、 热状况的有效措施之一。
二、土壤导热率
• 土壤吸收热量后，一部分用于本身升温，另一部 分传给邻近土层 • 土壤传导热量的能力用导热率表示。 λ=(Q/AT)/[(t1-t2)/d] λ:导热率, J/(cm2.s.°C) t1, t2: 土壤两端的温度最小(约2*10-4) 水的导热率大于空气(约5*10-3)， 土壤矿物质的导热率(约4.4*10-2) 整个土壤的导热率取决于土壤孔隙的多 少和含水量的多少。 • 当土壤干燥时，空隙被空气所占领，导 热率就低。 • 当土壤湿润时，孔隙被水所占领，导热 率增大。
土壤通气性的衡量
• 比较使用的衡量指标有二： （1）土壤氧化还原电位； （2）土壤的空气孔隙度（土壤容气量） 土壤空气孔隙度= 总孔隙度-容积含水量 对多数土壤来说，土壤的空气孔隙度应大 于10%。
第二节、土壤热量
• 热量对土壤微生物活动，植物的生长、土 壤物理、化学过程均有较大影响。 • 因此，土壤热量是土壤肥力四大要素之一。
第四章、土壤空气和热量
第一节 一、土壤空气的组成及其特点
• 土壤空气中的氧气含量低于大气，二氧化碳含量 则高于大气。 • 表层土壤空气组成接近于大气，但随深度的增加， 差异逐渐增大。 • 土壤空气中水汽含量高于大气，常呈水汽饱和状 态。 • 当通气不良时，土壤空气中可能含有大气中没有 的还原性气体，如：甲烷、硫化氢等。 • 土壤空气中的氢气和其它惰性气体组成与大气 相近。
一、土壤热量的来源
（一）太阳的辐射能 这是土壤热量最主要的来源。 （二）生物热 土壤微生物分解有机会释放热量，一部分 供自身利用，一部分用于提高土温 （三）地球内热 在地热异常地区，这一过程对提高土温有 一定意义
二、土壤表面的辐射平衡及影响 因素
（一）地面辐射平衡 地面辐射能的总收入，减去总支出，所得 差数为地面辐射平衡差额R： R=[吸收的短波辐射-支出的短波辐射]+ [收入的长波辐射-支出的长波辐射] =[(I+H)-(I+H)*α]+(G-E) =(I+H)(1-α)-r
三、土壤热扩散率
• 土壤温度的变化取决于土壤的导热率和热 容量。 • 在一定热量供应下，土温升高的快慢和难 易取决于热扩散率。
• 在标准状况下，在土层垂直方向上每厘 米距离内，1°C的温度梯度下，每秒流 入1cm2土壤断面面积的热量，使单位体 积（1cm3）土壤所发生的温度变化。其 大小等于土壤导热率/容积热容量的比值， 称为热扩散率。
二、土壤水、气、热的调控
（一）加强农田基本建设，改善水、气、 热状况 （1）完善田间排灌系统 （2）建立防护林带 （3）培肥土壤：改善结构，水气并存 热性肥，冷性肥
（二）合理排灌，控制水分，调节气、热 ---早春秧田“日排液灌”，有利于保温， 防止冻害； ---炎夏“日灌液排”，可降低土温 ---稻田管理中有“浅水灌溉”、“排水晒 田”等措施，有利于调节土温，兼有调 节空气的效果
夏季土壤温度随深度日变化
第六节、土壤水气热的调控
一、土壤水、气、热之间的相互关系 1、土壤水、气之间的相互关系 水多气少，水少气多 2、土壤水、热之间的相互关系 含水量高时，土壤热容量大，土温不易变化， 稳温。 土温升高时，土壤水的粘滞度和表面张力下降。 渗透系数增大，有助于土壤水的运动。
3、土壤热量与空气之间的关系 土壤空气的扩散率随温度的升高而增加， 土壤温度通过影响微生物的活动，间接 地影响土壤空气的组成。