第五讲 土壤水、空气和热量

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。

4.3 土壤空气与作物生长的关系

（一）土壤空气影响种子萌发和根系的发育 ①种子萌发需水分与氧气、氧气不足烂种；②根系生长需一定氧气， 氧气含量低不长新根，氧气少烂根；③不同作物缺氧的忍耐力不同。
在三相组成中，土壤水分的热容量最大，土壤空气的热容量最 小，矿物质和有机质的热容量介于两者之间（较稳定）。 土壤热容量的大小主要取决于土壤水分，土壤愈Байду номын сангаас湿（水多气 少），土壤热容量大，温度变化愈慢； 土壤愈干燥（水少气多），土壤热容量小，土壤温度变化愈大。
2、土壤导热率
土壤热量由热量高处向热量低处传导。土壤传导 热量的性能即土壤导热性。 导热率是指单位温度梯度下，单位时间通过单位 面积土壤传导的热量，单位J/cm.s.℃
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
（二）合理排灌，控制水分，调节气、热 ---早春秧田“日排夜灌”，有利于保温，防止 冻害； ---炎夏“日灌夜排”，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
（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。
3. 土壤导温性（土壤热扩散率）
土壤温度的变化决定于土壤的导热性和热容量。 那么在一定的热量供给下，能使土温升高的快慢 和难易则决定于其热扩散率。
指在标准状态下，在土层垂直方向上1cm的距离内 1℃的温度梯度下，每秒流入1cm2土壤截面的热量。 用K表示。
3. 土壤导温性（土壤热扩散率）
热扩散率可以用来衡量土温的变幅。 土壤热扩散 率与导热率和热容量的关系如下：
• 直接测定这些物质的绝对数量十分困难，一般 都通过测定土壤溶液中的氧化还原电位（ＥＨ） 来衡量土壤的氧化还原状况。
Eh E 0
[ 氧化态] 59 log （mv） n [ 还原态]
4.5 土壤通气性的调节

土壤通气性能取决于土壤中通气孔隙的大小和多少。 从植物生长对土壤环境条件的要求来看，要求土壤 中孔隙大小分配适当，即能保证土壤有适量的水分，又 要有足够的空气以保证植物对水分和空气的需求。
三、土壤热量平衡
土壤热量平衡也就指土壤热量的收支情况。 土壤表面吸收的太阳辐射能，部分以太阳辐射形式返 回大气，部分消耗于土壤水分的蒸发，部分向下层土壤传 导，剩余的热量用于提高土壤温度。
地表辐射 水分蒸发
• • • • • •
提高土温
Q=E－Q1－Q2－Q3 Q→用于土壤增温的热量 Q1→地表辐射损失的热量 Q2→土壤水分蒸发所消耗的热量 Q3→其它方面的热量损失 E→土壤表面获得的太阳辐射能 在一定的地区E值一般是固定的， 所以在Q1、Q2、Q3 等方面的 支出减少，土壤温度增加， 否则土温下降。
（二）影响土壤温度变化的土壤因素
• 1.土壤颜色
• 深色土壤吸热快，反射少，升温快。
• 2.土壤质地
• 砂土孔隙多，热容量和导热率都低，故增温冷却剧烈，群 众称之为“热性土”，所以早春砂性土可较一般土地提早 播种。 • 粘土孔隙少，热容量和导热率都大，故增温冷却缓和，群 众称之为“冷性土”，播种必须推迟。 • 3.土壤松紧与孔隙状况
• 疏松多孔的土壤，增温冷却剧烈。紧实少孔的土壤增温冷 却缓和。
四、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。
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。

二、土壤的热量平衡
一、土壤热量的来源
• ①太阳辐射能（主要来源）；这是土壤热量的最主要来源， 也是地球上一切能量的最初来源，太阳辐射能是极其巨大的， 达到地球的只是太阳总辐射能的很小一部分，大约是20亿分 之一。
• ②生物热：微生物分解有机质是一个放热过程，释放出的热 量，一部分被微生物自身利用，大部分用来提高土温。 • ③地热：地球内部的岩浆通过传导作用达到地表热量，地热 对土壤温度的影响极小，但地热异常地区，比如温泉、火山 口附近，地热对土温的影响就比较大。
4.5 土壤通气性的调节
• 措施： 地势低洼、地下水位过高，土壤 水分过多 土壤过湿，表土板结 质地粘重，通气孔隙数量不足 排水 中耕、松土 增施有机肥料
第五节 土壤的热性质
☻ 一、土壤的热量来源 ☻ 二、土壤的热特性 ☻ 三、影响土壤热状况的因素及其调节
一 土壤温度与作物生长的关系
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。
第四节、土壤空气
2.4 土壤空气 土壤空气是土壤的重要组成,也是土壤的肥力因素之一。

2.4.1 土壤空气的组成 土壤组成的特点如下: （1）土壤空气中的二氧化碳含量比大气高十至数百 倍； （2）土壤空气中氧的含量低； （3）土壤空气中的相对湿度比大气高； （4）土壤空气中有时含有还原性气体； （5）土壤空气数量和组成经常处于变化之中。
土壤吸收的太阳辐射能
• • • •
向下传导
四、土壤热性质
土壤接受热量后，土温升降的速率及变化
幅度主要决定于土壤的热性质，土壤的热 性质主要包括热容量、导热性与导温性。
1、土壤热容量 单位重量或单位体积的土壤，温度每升高
或降低1 º C时所吸收或放出热量的焦耳数 叫做土壤热容量 。
四、土壤热性质
K=
λ Cv
土壤热扩散率的大小反应土壤导热引起土壤温度 变化性能的强弱，影响因素主要也是土壤含水量 ，干土易升温，湿土不易升温。
三、土壤温度变化
• 土壤热量基本来源是太阳辐射，由于太阳辐射有周期性的日、年变化， 所以土温也有周期性的日、年变化。 • （一）土壤温度的日变化 • 1.概念 • 土表日间增热和夜间冷却所引起的土温昼夜变化,称土温日变化。 • 2.特点 • (1)土表温度的最高值出现在13-14时左右,最低值出现在早晨5-6点。 • (2)土温的日变化幅度以表土最大，愈向深层变幅愈小，到40cm处已 没有太大的变化。 • (3)白天表层土温高于底层,晚间底层土温高于表层。
• (3)在升温阶段，表土温度高，底土温度低，热量由土表向下传导；在 降温阶段，则相反。
四、影响土壤温度变化的条件 （一）影响土壤温度变化的环境因素
• 1.纬度 • 高纬地区，由于太阳照射倾斜度大，地面上单位面积上接受太阳辐射能就 少，土温低。而在低纬度地区，太阳直射在地面上，单位面积上所接受的太 阳能较多，故土温较高。 • 2.地形 • 高山大气流动频繁，气温较平地低。原因是土壤接受辐身能虽强，但由于 与大气热交换平衡结果，土温仍低于平地。 • 3.坡向 • 一般南坡、东南及西南坡照射时间长，太阳高度角大，受热多，土温高。 • 4.大气透明度 • 透明度好，白天地面吸收辐射能较多，土温上升快，夜间土壤散热也多， 因此昼夜温差大；反之，情况正好与上述相反。 • 5.地面覆盖和雪覆盖 • 地面有覆盖时，土温变化小。(原因是白天可阻止太阳直接照射,夜间可减 少地面散热)。
• 铁、锰等变价金属元素，当土壤处于氧化 态时（即Eh较高），主要以三价铁存在， 运动性差，不能被植物吸收利用； Eh低时， 以溶解度较大的二价铁存在，对植物有效 性高。
• 金属元素如果以氧化态存在，则有效性降 低。
• 土壤含水量少，呈氧化态时、有机质矿化 速率较快，养分释放快，不利于有机质保 存。 • 土壤含水量多，呈还原态时、有机质矿化 速率较慢，养分释放慢，还原性物质积累 过多，不利于植物生长。

（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
其原理服从气体扩散公式： F = -D〃dc/dx 式中： F是单位时间气体扩散通过单位面积的数量； dc/dx是气体浓度梯度或气体分压梯度； D是扩散系数，负号表示其从气体分压高处向低 处扩散。 由上式可知，气体分压梯度是引起土壤空气扩散 的主要动力。

土壤热的传导总是由土温高处向土温低处。
土壤的导热率也和土壤的三相物质比率有关。
土壤组成
导热率 [cal/（cm·s·℃）]
表 6－16 土壤各组成成分的导热率 矿物质 水分 空气
0.004－0.005 0.0014 0.00005
干燥土壤
0.0003－0.0005
矿物质的导热率最大，约为空气导热率100倍，其次是土壤水分， 比空气大25倍，土壤空气的导热率最小。 影响土壤导热率大小因素是：①土壤含水量；②土壤松紧度和 孔隙状况。 • 当土壤干燥时，孔隙被空气所占领，导热率就低。 • 当土壤湿润时，孔隙被水所占领，导热率增大。
（二）土壤温度的年变化
• 1.概念 • 土温以一年为周期的变化。 • 2.特点 • (1)土表的月平均最高温度在七月或八月，最低在一月或二月。 • 一月(二月)至七月(八月)为升温阶段，七月(八月)至次年一月(二月)降 温阶段。 • (2)随着土层深度的增加,土温的年变幅逐渐减小以至不变，最高、最 低温度的出现时间也逐渐推迟。

4.4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）土壤的通气孔隙度（土壤容气量）

• 1、土壤通气孔隙度（%） • 一般非毛管孔隙度15-20%为良好，＜10通气不 良，10-15中等。 • 2、土壤氧化还原电位 • 在土壤中，通气条件越好， Eh值越大，土壤的 氧化性越强。 • 如水分含量较高，Eh就小，土壤处于还原状态。


（二）土壤空气影响土壤养分状况
①氧气多少影响矿化，影响养分供给；②影响根对养分吸收，如玉 米缺氧对养分吸收能力依下列次序递减：K＞Ca＞Mg ＞N ＞P； ③影响养分存在形态，一般氧化态养分易被作物吸收利用。 （三）土壤空气影响植物抗病性 通气不良产生还原性气体H2S、CH4、H2等会严重危害作物生长， CO2过多致使土壤酸度增高，致使霉菌发育，植株生病
以重量为土壤计量单位时，叫重量热
容量，用C表示，单位为J/Kg· K。
用容积为土壤计量单位时，叫容积热
容量，用Cv表示，换算：Cv=C×ρ
ρ:土壤容重
土壤热容量的数值，与土壤三相物质组成比例 以及各相的热容量有密切关系。
土壤组成 重（质）量热容量 [J(g· K)-1] 容积热容量[J(cm3· K)-1] 土壤空气 1.0048 0.0013 土壤水分 4.1868 4.1868 砂粒和粘粒 0.75—0.96 2.05—2.43 有机质 2.01 2.51

2.4.2 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。
• 一般旱地土壤Eh值在200-700mv之间， 养分供应正常； • Eh＞700mv土壤处于完全氧化状态，有机 质迅速分解，铁、锰等微量元素氧化析出， 植物易患缺绿症； • Eh＜200mv土壤进行强烈还原作用，硝酸 盐开始消失，出现大量NO2-和Mn2+，严 重影响作物生长。
• 土壤氧化还原状态可直接或间接影响土壤 养分转化和养分形态及其对作物的有效性。