土壤学(第六章) 土壤空气和热量状况

三、土壤热量平衡(soil heat balance)
地面辐射平衡是土壤热量平衡的基础，但后者 对土壤热量状况的影响更显著。 当土面获得的太阳辐射能转换为热能时，其大 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。
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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。
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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) 单位时间通过单位断面(或单位土重)的CO2数量 土壤呼吸强度不仅可作为土壤通气指标，而且是 反映土壤肥力状况的一个综合指标。
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土壤向大气释放温室气体，因此说土壤是大气痕
量温室气体的源。
土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇。
五、土壤空气的运动
1.土壤空气的对流(convection) 土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动，
也称质流。对流由高压区流向低压区。
总压力梯度的产生：
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气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉 等。 土壤对流公式：qv=-(k/η )▽p qv—空气的容积对流量（单位时间通过单位横截 面积的空气容积）；
k—通气孔隙通气率；
η —土壤空气的粘度；
p—土壤空气压力的三维（向）梯度；
负号表示方向。
从公式可见空气对流量随土壤透气率和气压梯度
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(2) 呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些 隔离区阻止病斑扩大； (3) 伤口呼吸显著增强，利于伤口愈合，减少病菌 侵染。
四、土壤空气与大气痕量温室气体(greenhouse gasses)的关系
大气中痕量(trace quantity)温室气体（CO2、 CH4、N2O、氟氯烃化合物）导致的气候变暖，是人 们非常关注的重大环境问题。土壤是大气痕量温室 气体的源(source)和汇(sink) 。
I+H—投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射) (I+H)×α—被地面反射出的短波辐射,(α为反射率) r = EG —是土壤向大气进行长波辐射量(E)与大 气升温反向土壤辐射量(G)的差值；
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以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的 平衡差值 R =[(I+H)(I+H)×α] +(G­E)
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3.土壤透水性 (water permeability)
水田土壤适当的透水性可反映土壤透水通
气状况。
4.土壤氧化还原电位 (redox potential)
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第二节 土壤热量(soil quantity of heat)
种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺
氧时，葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。
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3.土壤空气与微生物活动
(1) 土壤空气影响微生物活动，从而影响有机质转化。 通气良好利于有机质矿质化。 (2) 根系吸收养分，也需要通气良好条件下的呼吸作 用提供能量。 4.土壤空气状况与作物抗病性 (1) 植物感病后，呼吸作用加强，以保持细胞内较高 的氧水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用；
=(I+H)(1α )-r
2.影响地面辐射平衡的因素 ⑴ 太阳的辐射强度 主要取决于气候；晴天比阴天的辐射强度大。天 气条件相同条件下取决于太阳光在地面上的投射角 （日照角），投射角又受纬度和坡向坡度等影响。
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⑵ 地面的反射率
太阳入射角、日照高度、地面的状况，地面状
土壤空气与近地表大气组成，主要差别：
（1）土壤空气中的CO2含量高于大气；
（2）土壤空气中的O2含量低于大气； （3）土壤空气中水汽含量一般高于大气； （4）土壤空气中含有较多的还原性气体。
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二、土壤空气含量(soil air content)
土壤空气含量=总孔度-水分容积百分率。 土壤空气的组成不是固定不变的，土壤水分、 土壤生物活动、土壤深度、土壤温度、pH值，季 节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。 随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加， O2含量减少，其含量相互消长。
多数作物根系停止发育。
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(2) O2与CO2在土壤空气中互为消长，当CO2含量大
于1％时，根系发育缓慢，至5～20％，则为致死的 含量。 (3) 土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如 H2S使水稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚
至死亡。
2.土壤空气与种子萌发(bourgeon)
第六章 土壤空气和热量状况
1.土壤空气 主要内容 2.土壤热量
3.土壤热性质
4.土壤温度
1.掌握土壤空气的组成与大气组成
的差异及土壤空气运动的方式；
教学目标 与要求
2.了解土壤热量的来源，掌握土壤 的三个热参数; 3.理解土壤温度变化的影响因素。
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第一节 土壤空气(Soil Air)
膜 07-29 CO2 0.92 1.01 1.06 0.87 1.35 1.16 1.52 1.27 O2 — 20.44 20.28 19.95 20.06 20.01 19.70 19.95 CO2 — 0.07 0.10 0.13 0.15 0.31 0.40 0.27 05-01
露 O2 0.06 20.65 20.51 20.86 20.12 20.18 20.20 20.24
况又包括颜色、粗糙程度、含水状况、植被及其他
覆盖物状况 ⑶ 地面有效辐射 云雾、水汽和风。强烈吸收和反射地面发出的 长波辐射，减少有效辐射。 海拔高度。海拔高，大气逆辐射少，有效辐射 增大。
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地表特征。起伏、粗糙的地表比平滑地表有 效辐射大 地面覆盖。导热性差的地被物可减少地面的 有效辐射
两种扩散都可以用费克（Fick）定律表示：
qd =Ddc/dx
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qd—扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质
量)； dc/dx—浓度梯度；
D—在该介质中扩散系数(其量纲为面积/时间) 从公式可见，气体扩散通量 (qd) 与其扩散系数 (D)和浓度梯度(dc/dx)或分压梯度(dp/dx)成正比。 浓度梯度是不易控制因素，所以只有调整扩散
失热量，温度降低。
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第三节
土壤热性质(soil heat regime)
一、土壤热容量(soil thermal capacity)
重量热容量(ponderance thermal capacity) （Cp）：
指单位重量土壤温度升高1℃所需的热量（J/g.℃）。
重量热容量(J/g· ℃)
容积热容量(J/cm3· ℃)
0.745 0.975 0.895 0.682 0.908 1.996 1.004 4.184
2.163 2.410 2.435 － － 2.515 1.255×10-3 4.184
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由于土壤组成分复杂，每种成分的热容量都 不一样，不同成分的容重也不一样。 Cv = mCv· Vm + OCv· Vo ＋ wCv· Vw+aCv· Va
容积热容量(volume thermal capacity) （Cv）：指单
位容积的土壤温度升高1℃所需的热量（J/cm3.℃）。
Cv=Cp×土壤容重
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6－3 土壤不同组分的热容量
土壤组成物质 粗石英砂 高岭石 石 灰 Fe2O3 Al2O3 腐殖质 土壤空气 土壤水分
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表 6－ 2
覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量 （%）
覆 05-01 0 5 10 15 20 30 50 平均 CO2 — 0.16 0.42 0.25 0.48 0.57 0.92 0.62 O2 — 20.50 20.40 20.49 20.48 19.87 19.93 20.12
地 07-29 CO2 0.06 0.21 0.28 0.39 0.41 1.16 1.28 0.85 O2 — 20.65 20.67 20.51 20.63 20.36 19.87 20.02
三、土壤空气与作物生长
1.土壤空气与根系 (1) 若土壤空气中O2的含量小于9％或10％，根系 发育就会受到影响，O2含量低至5％以下时，绝大
mCv、OCv、wCv和aCv分别为土壤矿物质、有机
质、水和空气的容积热容量； Vm、Vo、Vw和Va分别为土壤矿物质、有机 质、水和空气在单位体积土壤中所占的体积比。 因为气体的热容量可忽略，所以公式可简化为：
CV=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw
一、土壤空气组成(soil air composition)
表 6－ 1
气体 近地表大气 土壤空气
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土壤空气与大气组成差异
CO2(%) 0.03 N2 (%) 78.05 其它气体(%) 0.98 0.98
O2(%) 20.94
18.0～20.03 0.15～0.65 78.8～80.24
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3.地热(terrestrial heat)
地壳传热能力差，对土壤温度影响极小，可
忽略不计
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二、土壤表面的辐射平衡及影响因素
1.地面辐射平衡 收入： 支出：
太阳直接短波辐射(I)
天空(大气)短波辐射(H)
地面短波反射(I+H)×α
地面长波辐射 E
逆辐射(长波辐射) (G)
一、土壤热量来源
1.太阳辐射能(solar radiant energy) 土壤热量的最根本来源。太阳能的99%为短波 （波长0.3~4μm）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，而土壤只吸收其中的一少部分。
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2.生物热(biotherm) 微生物分解有机质过程是放热过程。释放的 热量一部分作为微生物的能源，大部分用来提高 土温。在保护地的栽培和早春育秧中，施用有机 肥并添加热性物质，如半腐熟的马粪等，可促进 植物生长或幼苗早发快长。
增加而增大。
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2.土壤空气的扩散 在大气和土壤之间CO2和O2浓度的不同形成分压
梯度，驱使土壤从大气中吸收O2，同时排出CO2的气
体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主 要机制。 土壤中CO2和O2的扩散过程分气相、液相两部分。 气相扩散：通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤 间的气体交流作用 液相扩散：通过不同厚度水膜的扩散
根据下图，假定太阳辐射能有47%到地面，蒸发蒸 腾消耗占23%，长波净辐射占14%，对流传导占10%。
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土壤收支平衡表示式
S=R±P±LE+B
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； B—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 一般情况下，白天热量平衡方程计算出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
系数D来控制气体扩散通量。
扩散系数D值的大小取决于土壤性质，主要取决
于通气孔隙状况及其影响因素 (质地、结构、松紧程
度、土壤含水量等)。 D=D0· S· l/le
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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