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；
一天之中，14时最高，10－18时较低，2－6时最低。
2、生物热（bioheat） 土壤中微生物生命活动与有机质分解所产生的热 3、地热传导（conductive of terrestrial heat）
（二）土壤热平衡 土壤热的收入：土壤表面吸收的太阳辐射能等； 土壤热的支出：土壤辐射返回大所； 土壤水分蒸发消耗； 向下层土壤传导等。 Q＝E－Q1－Q2－Q3 Q：用于土壤增温的热量； E：土壤表面获得太阳辐射能等； Q1：地表辐射损失； Q2：土壤水分蒸发所消耗的热量； Q3：其它方面消耗的热量；
主要内容
第一节 土壤空气 第二节 土壤热状况 第三节 土壤水、气、热的调节
第一节
一、土壤空气的组成和特点
土壤空气
（一）组成：与近地面大气基本一样，并互相交换， 但各组成分的含量上存在差异。 表
气体 土壤空气 大气
土壤空气与大气体积组成（％）
N2 78.8-80.24 78.05 O2 18.00-20.03 20.99 CO2 0.15-0.65 0.03 其它气体 1 1


（2）减少土壤水分蒸发 中耕除草：消灭杂草，减少蒸发量，“锄头下有水” 地面覆盖：地膜，作物秸秆进行土表覆盖 免耕覆盖技术与保水剂的施用：免耕技术降低土壤水分的非生产 性消耗；高分子树脂保水剂减少水分的蒸发 （3）合理灌溉 原则：根层灌水，使土壤水分含量达田间持水量 定额灌水：土壤自然含水量与田间持水量之差（张力计监测法） 灌溉方法：畦灌（粘土）；喷灌；滴灌 （4）提高土壤水分对作物的有效性： 深耕结合施用有机肥料，降低凋萎系数，提高田间持水量 加厚耕作层，促进根系的生长，扩大根系吸水范围，增加其有效 性。 （5）多余水分的排除。
土壤导温率 K＝λ/Cv
K：土壤导温率；λ：导热率；Cv：土壤容积热容量。
土壤空气的导温率比土壤水分的导温率要大得多，因 些，干土比湿土容易增温。
四、土壤温度与作物生长
（一）、土壤温度与种子萌发 种子萌发需要一个适宜的温度范围，在这一范围内，温度 越高，种子萌发高越快，反之亦然。 各种作物种子萌发的温度范围如下： 小麦、大麦、燕麦：1－2℃，谷子：6－8℃，棉花，水稻， 高梁和荞麦：12－14℃，玉米10－12℃。 （二）、土壤温度与作物根系生长 一般作物根系2－4℃ 微弱生长 ＞10℃ 生长活跃 30－35℃ 生长受阻 （三）、土壤温度与作物营养生长和生殖生长 （四）、土壤温度影响养分转化与吸收 1、影响微生物活性 2、影响有机质的转化，养分释放及土壤中水气的运动。
土壤空气的整体交换受温度，气压，刮风，降雨或 灌溉水的影响。
四、土壤通气状况与作物生长
（一）对种子萌发的影响
作物种子萌发需要氧气的浓度大于10％，嫌气条 件下，土壤呼吸产生醛类，有机酸等物质抑制种 子发芽。 （二）对作物根系生长及其吸收水肥功能的影响
通气良好：，色暗，根毛稀少，水稻 则黑根数量大大增加，严重时腐烂死亡，接触面 积小。
（二）土壤导热率(soil thermal conductivity)
1、定义：指在面积为1 m2，相距1m的两截面上温度相差1℃时， 每移钟所通过该单元体的热量的焦耳数，单位：J/(m k s)，是 评价土壤传导热量的快慢的指标。
2、影响因素：土壤的三相组成，其中土壤空气的导热率最小， 矿物质的导热率最大，为土壤空气的100倍，而土壤水的导热 率介于二者之间。 所以导热率主要与土壤矿物质和土壤空气有关。当土壤中矿物质 含量越高，土壤空气含量越小，则土壤的导热性能愈强。
对土壤热平衡的影响因素：
1、天气和气候：晴，阴，雨，季节，年份 2、纬度和地势：纬度低，热量丰富，反之亦然； 地势越高，气温越低。 3、地形部位：阴面，阳面。
4、植被积雪：
5、覆盖作用； 6、耕作栽培 7、土壤条件：水分，质地，颜色等。
二、土壤热特性（thermal properities of soil）
用来解释同一地区不同的土壤，获得的太阳辐射能几乎相同， 但土壤温度却会有较大差异的原因 （一）土壤热容量（thermal capacity） 1.定义；单位容积或重量的土壤在温度升高或降低1℃ 时所吸 收或放出的热量，可分为容积热容量和质量热容量。 2.容积热容量：指每1cm3土壤增、降温度为1℃ 时所需吸收或 释放的热量，用Cv表示，单位：J/(cm3 K)。 3.质量热容量（比热）：指每克土壤增、降解温度1℃ 时所需 吸收或释放的热量，用C表示，单位：J/(g K)。 其中Cv=C*d (d：土壤容重）。 土壤热容量愈大，土壤温度变化愈缓慢，反之，土壤热容 量愈小，则土温变化愈快。
即土壤的导热率与土壤容重呈正相关，与土壤孔隙度呈负相关。
所以冬天麦田镇压后导热率增加，白天热量向下层传导，而夜间 则向上传，可有效防冻。另外，增加土壤水分也可以防冻。
（三）土壤导温率(soil temperature conductivity）
土壤导温率：又称土壤导温系数或热扩散率，指标准 条件下，当土层在垂直方向每厘米距离内有1℃的 温度梯度，每移种流入断面面积为1m2的热量，使 单位体积(1m3)土壤所发生的温度变化。
气体分压梯度是引起土壤空气扩散的主要动力。如植物根系的 呼吸及微生物对有机残体的好气分解，O2消耗，产生CO2， 与大气间出现不平衡，从而发生扩散。
（二）、土壤空气的整体交换(soil air exchange) 指由于土壤空气与大气之间存在总的压力梯度而引起
的气体交换，是土体内外部分气体的整体相互流动。
（二）土壤空气调节
粘重土壤：采取合理耕作结合增施有机肥料， 改善土壤结构，增加土壤通气孔隙； 对于地势低洼、地下水位高的易涝区：加强土 壤水分管理，进行排水，降低地下水位，排 除渍涝。 对于由于灌溉、表土板结的土壤：中耕、松土。
（三）土壤温度调节
（1）合理耕作与施用有机肥 对于粘重土壤和低洼地土壤：合理耕作、中耕、耙等，使 表土疏松，孔隙增多，散发其中过多的水分，使土壤热容 量和导热率减少，达到增加土温。“锄头下有火” 砂土及质地较轻土壤：镇压，使土壤固相物质变稍紧，加 大热能传导。 施用有机肥：改善土壤的热特性，调节土壤温度，加深土 色，增加对太阳辐射能的吸收，提高土温。 （2）以水调温：利用水的热容量大的特点来降低或维持土壤 温度。 （3）覆盖与遮阴： 冬季：大棚塑料薄膜及地膜覆盖，可减少土壤辐射，提高 土壤温度； 夏季：遮阴覆盖则能减少到达地表的太阳辐射能，降低土 壤温度。
第三节
土壤水、气、热的调节
一、土壤水、气、热的调节 （一）土壤水分调节 1、土壤水分平衡 （1）定义：指在一定时间和一定容积内，土壤水的收入 和支出平衡。 水分收入：降雨和灌溉，地下水补给和其它来源。 水分支出：土表蒸发，植物蒸腾，向下渗漏及地表径流 损失等。 当收入＞支出：土壤水分含量增加； 当收入＜支出：土壤水分含量降低。 （2）土壤水分平衡的作用： 计算作物日耗水量； 确定灌溉时间。
（二）土壤空气的特点：
1 CO2含量显著地增多，氧气相对减少； 土壤中有机质分解过程中，作物根系和土壤微生物的 呼吸作用，消耗O2而释放CO2，另外，土壤中碳 酸盐类的溶解释放CO2；
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相对湿度大，经常保持水气饱和状态；
由于微生物的嫌气活动可能有还原性气体，如CH4， H2，H2S的存在，影响作物根系的正常生长； 土壤空气数量和组成经常处于变化之中。
容积热容量 土壤组成分 J cm-1 K-1 土壤空气 土壤水分 矿质土粒 土壤有机质 0.0013 4.18 1.930 2.512 J g-1 K-1 1.00 4.187 0.712 1.930 J cm-1 s -1 K-1 0.00021-0.00025 0.0054-0.0059 0.0167-0.0209 0.0084-0.0126 cm2 s -1 0.1615-0.1923 0.0013-0.0014 0.0087-0.0108 0.0033-0.0050 重量热容量 导热率 导温率
二、土壤空气组成的动态变化
1 剖面变化（Vertical change in soil air） 20－95cm土层中，O2随深度加深而减少，CO2增多，尤其 是在粘土中比较明显（透气性差）。 2 季节性变化（seasonal change） 不同干湿季节： 温湿季节（hot and humid season）：土壤中的O2少，而 CO2增多； 干冷季节（dry and cold season）：O2增多，CO2减少。