土壤的空气、热状况讲义及其调节

第六章土壤空气和热量状况

土壤通气性测定土壤通气性造成的土壤剖面分异
第二节土壤热状况
一、土壤热量soil heat （一）土壤热量来源太阳辐射、生物热、地球内热（二）土壤热量消耗土壤水分蒸发、给近地面空气升温、向地下传递热通量：单位面积单位时间内垂直通过的热量。 J/cm2.min
二、土壤热性质
土壤热性质包括土壤热容量、导热率和导温率，决定着土壤热量和温度变化的程度、热量传导的速度和深度。（一）土壤热容量soil heat capacity，分为质量热容量和容积热容量 1、质量热容量mass heat capacity是指单位质量土壤的温度升高 1℃所需的热量（焦/克.度），也叫土壤比热 2、容积热容量volume heat capacity是指单位容积土壤的温度升高1℃所需的热量（焦/厘米3.度）土壤容积热容量=土壤重量热容量×容重土壤矿物质的质量热容量为0.71-1.09焦/克.度,平均为0.84 水的热容量最大，容积热容量为空气的千倍各种土壤组分的密度和热容量单位时间内，单位面积土壤上由土壤扩散出来的CO2量。 2、氧气扩散率ODR(oxygen diffusion rate）单位时间通过单位土壤截面扩散的氧的质量。微克/厘米2.分钟
五、土壤通气性指标 3、土壤通气孔隙度soil air porosity 4、土壤氧化还原电位Eh 由土壤溶液中氧化态物质和还原态物质相对比例变化而产生的电位。 Eh是土壤通气性指标。大于400mv为氧化态，通气好。
O2(%) 20.94 18.0-20.03
CO2(%) 0.03 0.15-0.65
N2(%) 78.05 78.8-80.24
其他气体(%) 0.98 0.98
三、土壤空气的意义
1、土壤形成发育，二氧化碳溶于土壤溶液变为碳酸，使土壤中碳酸盐类溶解，增加了土壤溶液中钙、镁、钾、钠、铁、锰，为植物增长提供了养分，促进了他们的移动。 2、土壤空气影响着土壤微生物的活动，从而对土壤有机质的分解和植物营养物质的转化及其生物有效性产生影响。 3、由于氧的作用，可氧化土壤中某些矿物，如硫铁矿变为溶解态的硫酸铁，亚铁和亚锰变为高价铁锰化合物。 4、植物生长发育植物从种子发芽到成熟都需要有足够的土壤空气，块茎类植物对土壤空气要求高于一般植物，种子发芽需要土壤空气中氧的含量10%以上，低于0.5%种子不发芽，对于ODR临界值要求15×18-8—25×18-8克/厘米2. 分的范围。

土壤水,气,热的调节

第六章土壤水、空气和热量主要教学目标：学会分析土壤肥力要素水、气、热之间的关系。

由于土壤水分的重要作用，因此首先要求学生掌握土壤水的形态学观点和能量学观点。

在基本知识掌握的基础上，并能系统地处理土壤水、气、热三者的相互关系和调节措施。

主要内容：第一节：土壤水的类型第二节：土壤水分含量的表示方法第三节：土壤水分能量的分析第四节：土壤水分的管理与调节第五节：土壤空气和热量第六节：土壤水、气、热的相互关系第一节土壤水的类型土壤学中的土壤水是指在一个大气压下，在105℃条件下能从土壤中分离出来的水分。

土壤中液态水数量最多，对植物的生长关系最为密切。

液态水类型的划分是根据水分受力的不同来划分的，这是水分研究的形态学观点。

这一观点在农业、水利、气象等学科和生产中广泛应用。

一、吸湿水土壤颗粒从空气中吸收的汽态水分子。

从室外取土，放在室内风干若干时间后，表面上看似乎干燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量会减轻；再放置到常温常压下，土壤重量又会增加，这表明土壤吸收了空气中的水汽分子。

土壤的吸湿性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般来说，土壤中吸湿水的多少，取决于土壤颗粒表面积大小和空气相对湿度。

由于这种作用的力非常大，最大可达一万个大气压，所以植物不能利用此水，称之为紧束缚水。

二、膜状水土粒吸足了吸湿水后，还有剩余的吸引力，可吸引一部分液态水成水膜状附着在土粒表面，这种水分称为膜状水。

重力不能使膜状水移动，但其自身可从水膜较厚处向水膜较薄处移动，植物可以利用此水。

但由于这种水的移动非常缓慢（0.2—0.4mm/d），不能及时供给植物生长需要，植物可利用的数量很少。

当植物发生永久萎蔫时，往往还有相当多的膜状水。

三、毛管水当把一个很细的管子（毛细管）插入水中后，水分可以上升的较高于水平面，并保持在毛细管中。

毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的液态水。

毛管水可以有毛管力小的方向移向毛管力大的方向，毛管力的大小可用Laplace公式计算：P = 2T/r式中的P为毛管力，T为水的表面张力，r为毛管半径。

土壤空气、土壤热量及水气热调节

项目对照自然含水量 9.90
化肥 11.76
猪粪 15.08
秸秆 14.10
化肥+猪粪
16.92
化肥+秸秆
15.71
田间持水量 25.00 28.40 30.98 29.12 31.23 31.41
饱和含水量 35.18 35.10 39.23 36.90 40.71 40.68
34/42
2.6.1.2 土壤空气调节
对于粘质土壤的通气不良可采取合理耕作结合增施有机肥料，以改善土壤结构、增加土壤通气孔隙。
对于地势低洼、地下水位高的易涝地区的土壤通气不良应加强土壤水分管理，建立完整的排水系统，降低地下水位，及时排除渍涝。
对于因降（灌）水量大而造成的土壤过湿、表土板结而影响通气的，应及时中耕、松土，破除地结皮等，土壤通气性就会大大改善。
K =λ /Cv
式中：K为土壤导温率；
λ 为导热率；
Cv为土壤容积热容量。
26/42
27/42
土壤组成与土壤的热特性
重量
导热率
土壤组成分
容积热容量（J·cm-3·K-1)
热容量 (J·g-1·K-1)
（J·cm-1·s-1·K-1)
土壤
空气
0.0013
1.00 0.00021-0.00025
28/42
2.5.3 土壤温度与作物生长 2.5.3.1 土壤温度与种子萌发 2.5.3.2 土壤温度与作物根系生长 2.5.3.3 土壤温度与作物营养生长和生殖生长 2.5.3.4 土壤温度影响养分转化与吸收此外，土壤有机质的转化、养分的释放以及土壤中水、气的运动等也都受到土壤温度的影响。
29/42
2.6 土壤水、气、热的调节与氧化还原性 2.6.1 土壤水、气、热的调节 2.6.2 土壤氧化还原性质

第五章土壤空气与热状况

4、对土壤热特性的影响因素：固、液、气三相物质比例由下表可见，土壤水分热容量最大，土壤空气最小，而矿质土粒和土壤有机质介于两者之间，而固体是相对稳定的，则主要取决于土壤水分和土壤空气的含量。所以，粘土：水分含量较高，早春季节解冻迟，土壤回升慢，为冷性土；砂土：水分含量低，早春土温回升快，为热性土。
三、土壤通气性（soil aeration）土壤通气性（土壤透气性）：指土壤空气与近地层大气进行气
体交换以及土体内部允许气体扩散和流动的性能。
土壤通气性影响多种生物的生命活动，各种有机物质转化的化
学过程，根际呼吸，种子萌发，土壤病虫害的发生。
土壤通气产生的机制：
（一）、土壤空气扩散（Soil air diffusion）指某种气体成分由于分压梯度与大气不同而产生的移动。它是土壤空气与大气间进行交换的主要因素，原理服从气体扩散公式： F＝－D· dc/dx F：单位时间气体扩散通过单位面积的数量； Dc/dx：气体浓度梯度或气体分压梯度； D：扩散系数，负号表示其从气体分压高向低扩散。
2、土壤水分调节：
减少土壤水分的损失；增加作物对降雨，灌溉水及土壤中原有贮水的有效利用，同时包括对多余水分的排除等，措施如下：（1）控制地表径流，增加土壤水分入渗；

合理耕翻：创造疏松的耕作层，保持土壤适当的透水性以吸收更多的降雨和减少地表径流损失。等高种植，建立水平梯田：改造地形，平整土地，减少水土流失，梯田层层蓄水，坎地节节拦蓄改良表土质地结构：增加土壤孔隙度，使蓄墒能力增强。
第二节
一、土壤热来源与平衡
土壤热状况
（一）土壤热来源
1、太阳辐射（solar radiation）与所处的纬度有关，随纬度的提高，接受辐射减少；

土壤水、气、热调节

有机无机配施对土壤水分状况的影响（ %）
项目
对照化肥
自然含水量 9.90 11.76 田间持水量 25.00 28.40 饱和含水量 35.18 35.10
猪粪 15.08 30.98 39.23
秸秆化肥+猪粪化肥+秸秆
14.10 29.12 36.90
16.92 31.23 40.71
15.71 31.41 40.68
灌溉方法：
地面平整、质地偏粘的土壤、大田作物和果园可采用畦灌；土壤质地偏砂、丘陵旱地、菜园地等可选喷灌；设施栽培的蔬菜可滴灌；水分渗漏过快、深层漏水严重的土壤不宜采用沟灌。
灌溉方式：喷灌、滴灌、沟灌等
喷灌
滴灌
④提高土壤水分对作物的有效性
通过深耕结合施用有机肥，降低凋萎系数，提高田间持水量，增加土壤有效水的范围；加厚耕层，促进根系生长，扩大根系吸水范围，增加土壤水分的作物有效性。
②减少土壤水分蒸发
中耕除草，消灭杂草，减少蒸腾；切断上下土层间的毛管，降低土表蒸发，减少水分损失。
地面覆盖在干旱和半干旱地区，可使用地膜、作物秸秆等进行土表覆盖，以减少水分蒸发损失。
③合理灌溉
灌溉目的：对根层补充水分，使土壤含水量达到田间持水量。灌溉定额：据土壤自然含水量与其田间持水量之差确定。
二、土壤空气调节
质地粘重、通气孔隙度不足10%、气体交换缓慢的粘质土壤。
措施：合理耕作结合增施有机肥料，以改善土壤结构、
增加土壤通气孔隙。地势低洼、地下水位高的易涝地区，建立完整
的排水系统，降低地下水位，排除渍涝。由降（灌）水量大而造成土壤过湿、表土板
结，则应中耕、松土，破除地结皮等。
三、土壤温度调节

第八章土壤热状况详解

(三)
地球内部也可以缓慢地向地表土壤传递热量，只因为地壳导热能力很差，每平方厘米地面全年从地球内部获得的热量只有54卡，相当
土壤接受太阳辐射，同时也向空气中辐射，
a
H
I
E
(一) 短波辐射
太阳的辐射是短波辐射，波长为0.3～4微米。当透过大气层时，有相当一部分被大气中的水汽、云雾、CO2等吸收、散射和反射，直接到达土壤表面的只有一小部分，称为太阳直接辐射能，辐射强度记为S，占到达地球总辐射能的20%左右。
二、影响土壤的形成和发展过程
从赤道到两极，土壤类型呈现有规律的变化，主要原因就是由于温度的不同造成的。在土壤分类中，土壤的热状况是一个重要的依据，放在高级分类单元。
第一节土壤的辐射平衡
(一)
太阳的辐射能是地球上最重要的能量源泉，也是土壤热量的最主要来源。
地球虽然只获得太阳总辐射能的极小部分，大约20万分之一，但比从其它方面所获得的总能量要大数千倍。
1、大气质量云雾、水汽、烟尘能强烈地截留和反射地
面放出的长波辐射，使大气逆辐射增大，减少地面的有效辐射，即减少地表热量的损失。
初秋的夜晚，有云的天气不很冷，而睛朗的天气却比较冷，容易发生霜冻。
2、海拔高度
空气密度、水汽、尘埃等，都随海拔高度的增加而减小，大气逆辐射相应减小，有效辐射增大。
(二) 生物热
微生物在分解有机质的生命活动中，产生一些热量，其中一部分被微生物作为同化作用的能源，大部分则用来提高土温。
据估算，含有机质4％的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.28×109～6.99×109 KJ，相当于20～50吨无烟煤的热量。
在局部范围内，利用生物热来提高地温还是很有效的。如早春温度偏低，用各种有机物料作成温床培育幼苗，可以延长生育期，使蔬菜提早上市，有一定的经济效益。

土壤学土壤空气和热量状况

15 0.25 20.49 0.87 19.95 0.13 20.86 0.39 20.51
20 0.48 20.48 1.35 20.06 0.15 20.12 0.41 20.63
30 0.57 19.87 1.16 20.01 0.31 20.18 1.16 20.36
50 0.92 19.93 1.52 19.70 0.40 20.20 1.28 19.87
D=D0·S·l/le
D0—自由空气中的扩散系数； S—未被水分占据的孔隙度； l—土层厚度； le—气体分子扩散通过的实际长度。 l/le和S的值都小于1。
结构良好的土壤中，气体在团聚体间的大孔隙间扩散，而团聚体内的小孔隙则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部的通气性状。所以紧实的大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧的。所以通气良好的旱地也会有厌气性的微环境。
六、土壤通气指标
1.土壤孔隙度总孔隙度50～55%或60%，其中通气孔度要求
8～10%，最好15～20%。这样可以使土壤有一定保水能力又可透水通气。 2.土壤呼吸强度(intensity of soil respiration)
覆膜
露地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO2
O2
CO2
O2
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
O2
CO2
O2
0
—
— 0.92 —
— 0.06 0.06
—
5 0.16 20.50 1.01 20.44 0.07 20.65 0.21 20.65
10 0.42 20.40 1.06 20.28 0.10 20.51 0.28 20.67

《土壤学》第四章土壤水分、空气与热量状况

（四）水层厚度（水深）mm ＝土层厚度×水容％
（五）土壤水贮量（方/亩或吨/亩）
＝2/3 ×水层厚度
(六)墒情：干墒、黄墒、灰墒、黑墒干、润、潮、湿
三、土壤水分含量的测定 • （一）烘干法：常用
1、经典烘干法：恒温箱105－110 ºC烘干称重计算
2、快速烘干法：红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法、电炉法等。
（三）土壤空气对植物抗病性的影响通气不良产生还原性气体H2S、CH4、
H2、NO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
氧扩散率（ODR与不同植物状况之间关系）
植物
茎叶菜莴苣菜豆甜菜草莓棉花柑橘
土壤类型
壤土粉砂壤土
壤土壤土砂壤土粘壤土砂壤土
一是受辐射、气温、湿度和风速等气象因素的影响；二是受土壤含水率的大小和分布的影响
土面蒸发过程区分为三个阶段： 1、大气蒸发控制阶段 2、土壤导水快慢控制阶段
在土壤不是很湿能进入田间时，应及时锄地松土，减少水分蒸发。 3、水汽扩散阶段
一般情况下，只要土表有1～2mm干土层就能显著降低蒸发强度。
田间土壤水分收支示意图
总水势（Ψt） Ψt＝Ψm＋Ψp＋Ψs＋Ψg
（二）土壤水吸力
指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力。
与土水势的意义一致，但只是基质吸力和溶质吸力的和。
（三）土水势的测定
• 主要有张力计法（测定基质势最常用）
• 压力膜法 • 冰点下降法 • 水气压法等
张力计法
压力膜法
冰点下降法
中耕
3. 合理灌溉排水，及时增减土壤水分。
变漫灌、畦灌、沟灌等地面灌溉方式为波涌灌、膜下灌等改良的灌溉方式，有条件的可采用较为先进的滴灌、喷灌和渗灌

第三章(1)土壤流体之土壤空气与热量

③土壤中CO2浓度对植物生长的影响也有待进一步研究。现有的研究表明，某一特定植物对CO2浓度有一最佳值, 过高或过低都会引起根系生长衰退。过高浓度CO2往往伴随缺O2而造成不良后果，但一定浓度CO2对植物生长也有促进作用，而且CO2造成的土壤溶液的微酸性也有利于有些土壤养分的释放.
二、土壤中的空气流
覆膜田块的CO2含量明显高于未覆稻草原露地，而 O2则反之
土壤空气中的CO2和O2的含量是相互消长的，二者的总和维持在19~22%之间，
注意：
①土壤空气对植物生长的影响，有许多过程和因素需进一步研究。如土壤微生物需O2有一个很宽的范围。 ②仅仅一个空气容量指标并不能肯定土壤是否能满足植物和微生物对氧的需求。
基质势(hPa) 含水率(%) 充气孔度(%)
K(m/s)
-9.8
40.24
14.06
12
-98
25.47
28.83
133
-310
23.07
31.23
272
－
0
54.30
682
三、土壤通气性(soil aeration)
（一）、土壤通气性的定义和指标
土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体内部允许气体扩散和通气的能力。
（二）、土壤通气性的调节
1、调节土壤水分含量 2、改良土壤结构 3、通过各种耕作手段来调节土壤通性
对旱作土壤，有中耕松土，深耙勤锄，打破土表结壳，疏松耕层等措施。
一土壤空气的组成二土壤空气的运动三土壤空气与土壤肥力
第三章（一）土壤空气和热量 §1 土壤空气的组成与植物生长一、土壤空气的组成与变化土壤空气与大气组成的比较（容积%）
气体

土壤空气与热量

第三节土壤热性质
二、土壤导热率
当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领，导热率就小。当土壤湿润时，土粒间的孔隙被水分占领，导热率增大。
二、土壤导热率
第三节土壤热性质
表 6-4 土壤不同组成分的导热率（焦耳/厘米·秒·度）
土壤组成分石英
湿砂粒干砂粒
泥炭腐殖质土壤水土壤空气
导热率 4.427×10-2 1.674×10-2 1.674×10-3 6.276×10-4 1.255×10-2 5.021×10-3 2.092×10-4
土壤的容积热容量（Cv）可用下式表示： Cv = mCv·Vm + oCv·Vo ＋ wCv·Vw+aCv·Va 因空气的热容量很小，可忽略不计
第三节
一、土壤热容量
土壤组成物质
6－3 土壤不同组分的热容量
重量热容量
（Jg-1c-1）
粗石英砂高岭石石灰
0.745 0.975 0.895
Fe2O3 Al2O3 腐殖质土壤空气土壤水分
第一节土壤空气
二、土壤中的气体的运动（一）对流（mass flow）对流，又称质流，驱动力是总气压梯度，它使气流冲从高压区向低压区运动。
第一节土壤空气
二、土壤中的空气流
（二）土壤空气扩散（diffusion) 气体扩散是指气体分子由浓度大（或分压大）处向浓度小（或分压小）处的运动，它是由气体分子的热运动（或称布朗运动）引起的.
0.682 0.908 1.996 1.004 4.184
不同土壤组分的热容量
土壤热性质
容积热容量
(Jcm-3c-1)
2.163 2.410 2.435
－－ 2.515 1.255×10-3 4.184