土壤地理学 第5讲(空气、热量及其水分)

研
究
数量法 按照土壤水分受不同力的作用而研
方
究水分的形态、数量、变化和有效
法
性。简单、实用
吸湿水(紧束缚水)
吸附水(束缚水)
土 壤
受土壤吸附力作用而保持 膜状水(松束缚水)
水
的 类
毛管水 受毛管力作用而保持
型
重力水 受重力作用
吸湿水
定义 特点
固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中 吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层。
表土
30.6
7
-5.8
80cm
23.8
8
2.0
320cm
17.4
9.10
9.4
1
35-36
2
21-22
3.4
7-8
最高温度出现在7月份，最低温度出现在1月份，随土层加深，最高 温度最低温度出现时间向后延迟，变幅减小。
影响土壤热状况的因素
①天文及气象因素 ②土地位置 ③土壤的组成和性质 ④土面状况
三、土壤的热性质 • 1．土壤热容量 • 指单位重量或单位容积的土壤，当温度增或减1℃
• θ v（%）=（土壤水分容积/土壤容积） ×100%
• θ v（%）= θ m ×容重
3. 土壤相对含水量 Relative water content
• 在生产实际中常以某一时刻土壤含水量 占该土壤田间持水量的百分数作为相对 含水量来表示土壤水分的多少。
• 土壤相对含水量= （土壤含水量/土壤田 间持水量） ×100%
土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而 定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。
吸湿系数: 吸湿水的最大含量最大吸湿量（maximum adsorbed water content 凋萎系数(wilting coefficient):作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久
凋萎，此时的土壤含水量就称为凋萎系数。
三、土壤热扩散率 Heat diffusivity of soil
土壤温度决定于土壤导热率和热容量。 如果热量一定，土壤温度升高的快慢和难 易决定于其热扩散率。
土壤固相物质组成稳定，土壤热扩散率 主要取定于土壤水和空气的比例。
由于土壤温度状况差异巨大，故美国土 壤系统分类将土壤温度状况划分为6大类， 如表3-4。该方案已被许多国家的土壤科学 研究者所采用。中国土壤科学家参照上述划 分方案，并考虑中国土壤形成的环境条件， 制定了中国土壤土壤温度状况划分体系，如 表3-5所示。
三、土壤水分含量的测定
Determining of soil water content
烘干法
此法费事， 不便定位测 定。
中子法
TDR法
经典烘干法 在105～110℃条件下，烘至恒重，为烘干土
重，以此为基础计算水分重（蒸发损失量） 的百分比（%）。
快速烘干法 ——红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精烘干法、
一般情况下： 白天S为正值，即土壤温度升高； 夜晚S为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降低。
土壤热量状况 • 土壤热量状况是指在周年或一日内上
下土层间的温度变化情况。 • ①土壤温度的年变化 • ②土壤温度的日变化
最高温度出现在下午2时，最低温度出 现在日出前。
北京郊区土壤温度的年变化
最高温度 出现时间 最低温度 出现时间 变幅
土壤空气在温度、气压、风、降雨或灌水等因素 的作用下整体排出土壤，同时大气也整体进入，称整 体交换。交换速度较快。 2. 气体扩散
它是指气体分子由浓度高（气压大）向浓度小 （气压低）处移动。交换速度较慢，气体扩散是气体 交换的主要方式。
土壤中不断进行的动植物呼吸作用和
微生物对有机质物的生物化学分解作用，使
知识结构
认识土壤流体组成 3.1 土壤空气及其运动
了解土壤空气、土壤 水运动特征，土壤水 热状况
3.2 土壤热量状况 3.3 土壤水分及特性
熟悉土壤分散系、粒 子转化、土壤生态环 境功能及其调控
3.4 土壤分散系及特征 3.5 土壤生态环境功能
3.1 土壤空气及其运动
The gaseous constituents of soil air are derived largely from the atmosphere, the respiration and metabolism of soil organisms, and from the evaporation of soil moisture.
得土壤空气中O2不断消耗和CO2逐渐累积， 其结果是土壤空气中O2、CO2浓度与近地层 大气中O2、CO2浓度之间差异的扩大，这样 必然引起O2、CO2气体分子扩散的发生，如 图 3-1所示。
图3-1 土壤空气与近地大气之间气体扩散过程示意图
土壤中O2的分压总是低于大气，而CO2的分压总 是高于大气。所以O2是从大气向土壤扩散，而 CO2则是从土壤向大气扩散，正如人不断呼出CO2 和吸进O2一样，因此，土壤气体交换被称为“土 壤呼吸”。
呼吸强度：单位面积或单位重量土壤在单位时
间内释放CO2的克数。
• 三、土壤的通气性
• 土壤通气性是指土壤空气与大气进行交换以及土 体允许通气的能力。
• 土壤通气性的重要性：通气与大气的交流，不断 更新其组成，使土体各部分组成趋向一致，如果土 壤通气性差，土壤中的O2在短时间内可能被全部耗 竭，而CO2的含量随之升高，以至妨碍作物根系的 呼吸。
时所需要吸收或放出的热量，一般用焦耳数表示。 重量热容量：J/(g.℃) Cg 容积热重量：J/(cm3.℃) Cv
• 容积热容量与重量热容量的关系： • 容积热容量 =重量热容量 ×土壤容重 • 土壤固、液、气三相组成的热容量差异很大。 • 土壤水的热容量最大。通过调控土壤水分状况可以调
节土壤热状况。
3.2 土壤热量状况
太阳辐射
土壤热来源
有机物分解
化学反应放热
一、土壤热量的来源
1．太阳的辐射能(Solar radiant energy)
土壤热量的最根本来源。太阳能的99%为短波辐射。当 太阳辐射通过大气层时，一部分热量被大气吸收散射， 一部分被云层和地面反射，土壤只吸收少部分。
2. 生物热(Biological heat)
• 土壤质量含水量是指土壤中保持的水分 质量占土壤质量的分数。
• θ m=[(m1-m2)/m2]×100% • 式中θ m为土壤质量含水量（g/kg）、 m1
为湿土质量（g）、m2为干土质量（g）。
2. 土壤容积含水量 Volume percent
• 土壤容积含水量是指土壤水分容积与土 壤容积之比，常用θ v表示单位为cm3/cm3。
第五讲 土壤流体组成及其诊断特性
（空气、热量及其水分）
——化学与生物科学学院
教学重点
1. 掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性 2. 了解土壤空气及其运动、掌握土壤热量状况 3. 认识土壤水类型、土水势及土壤水分状况
关键词
土壤空气(soil air) 土壤通透性(soil permeability) 土壤水(soil water) 土水势(soil water potential)
田间持水量(field moisture capacity): 毛管悬着水达最大量时的土
壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。
饱和持水量: 土壤孔隙全部充满水时的含水量。
土壤水分有效性 Soil water availability
土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用 及其难易程度。 不能被植物吸收利用的水称为无效 水，能被植物吸收利用的水称为有效水。
土壤微生物在分解有机质的过程中常放出一定的热量， 但数量较少。
3. 地球内热(Underground heat)
由地球内部的岩浆传导至地表的热。但因地壳导热能力 差，因此这部分热量占的比例小，但温泉附近，这一热
源不可忽视。
二、土壤的热量平衡 Heat balance of soil
当土面获得太阳辐 射能转换为热能时， 大部分热量消耗于土 壤水分蒸发和土壤与 大气之间的湍流热交 换，一小部分被生物 活动所消耗，只有很 少部分通过热交换传 导至土壤下层。
吸附力很强；无溶解能力，不移动，通常在105～110℃ 条件下烘干除去。
对植物无效
吸有
湿 水
无
风干土 烘干土
风干土重 烘干土重= ——————
1+吸湿水%
土壤吸湿水含量受土壤质地和空气湿度的影响。粘质 土吸附力强，吸湿水含量高，砂质土则吸湿水含量低；空 气相对湿度高，吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。
二、土壤导热率 Heat conductivity of soil
导热性 土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。
导热率λ 单位厚度(1cm)土层，温差1℃，每秒经单位断 面(1cm2)通过的热量焦耳数 [J/(cm·s·℃)]。
Q / AT Qd
(t1 t2 ) / d AT (t1 t2 )
最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水 分。
土壤质地与有效水最大含量的关系
土壤质地 田间持水量(%) 凋萎系数(%)
砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土 粘土
12
18
22
24
26
30
3
5
6
9
? 11
15
有效水最大含量(%) 9
13
16
15
15
15
二、 土壤水分含量的表示
1. 土壤质量含水量 Weight percent
膜 状 水 示 意 图
水
毛管作用力范围：
沿
0.1-1mm
着
有明显的毛管作用
毛
0.05-0.1mm
管
毛管作用较强
0.05-0.005mm
上
毛管作用最强
升
〈0.001mm
毛管Байду номын сангаас用消失
土粒
毛管 悬着 水示 意图
图 3-5 土壤水分有效性综合示意图
土壤水分常数 Soil water coefficient
土壤空气来源： 近地表大气 土壤微生物的呼吸和代谢 土壤水分的蒸发
一、土壤空气的组成特点
1．土壤空气中的CO2的质量分数高于大气 2．土壤空气中的O2质量分数低于大气 3．土壤空气的水汽的质量分数总是多于大气 4．土壤空气中有时有少量还原性气体 5．土壤空气成分随时间和空间而变化
二、土壤空气的更新（土壤空气与大气的交换） 1. 整体交换
3.3 土壤水分及其特性
土壤水分（土壤溶液）的重要性
1）供作物生长需要 2）影响养分的溶解和移动 3）土壤的氧化还原电位 4）有机质的分解与积累 5）土壤热量状况 6）土壤的耕性
一、土壤水分类型及有效性
Soil water types and availability
土 壤 水 分
能量法
从土壤水分受各种力作用后自由能的 变化研究水分的能态和运动、变化规 律。土壤—植物—大气连续体（SPAC)
膜状水
吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态 水，在吸湿水的外围形成的连续水膜。
特点：保持力较吸湿水低，无溶解性；移动缓慢，由 水膜厚往水膜薄的地方移动。对植物有效性低，仅部分有 效。
毛管水
存在毛管孔隙中靠毛管力所保持的水分。分为毛管 上升水和毛管悬着水
重力水
受重力作用可以从土壤中排出的水分，主要存在于土 壤通气孔隙中，为多余的水。
土壤热量收支 Soil heat budget
S=R±P±LE+Q
S——单位时间内土壤实际获得或失掉的热量； R——辐射平衡； P——土壤与大气层之间的湍流交换量； LE——水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加的量； Q——土面与土壤下层的之间的热交换量。 正负双重号表示不同情况下有土温增或减的不同方向
Q—流动的热量 t1、t2—土层两端的温度
热量传导方向： 高温处
A—面积
T—时间
d—土层厚度
低温处
土壤组分导热率 Heat conductivity of different soil composition Soil solid particle 土壤固体部分：8.4×10-3~2.5×10-2 J/(cm·s·℃) Soil water 土壤水： 5.439×10-3~5.858×10-3 J/(cm·s·℃) Soil air 土壤空气： 2.301×10-4~2.343×10-4 J/(cm·s·℃)
水的导热率大于空气导热率，当土壤含水量低时，由于空气导热 率很小，因此土壤导热率小，特别是疏松孔隙多土壤，导热率小。若 含水量低但土壤紧实，热量可通过土粒(矿物质)传导，导热率则较大。
土壤导热率的意义 Importance of heat conductivity of soil
导热性好的湿润表土层白天吸收的热量易于传导到下层，使表层 温度不易升高；夜间下层温度又向上层传递以补充上层热量的散失， 使表层温度下降也不致过低，因而导热性好的湿润土壤昼夜温差较小。