土壤空气和热量 (2)幻灯片.ppt

土壤空气和热量土壤空气和热量第1页，共24页，编辑于2022年，星期五 二、土壤空气含量二、土壤空气含量 土壤空气含量土壤空气含量=总孔度总孔度水分容积百分率水分容积百分率 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、物活动、土壤深度、土壤温度、pHpH值，季节变化及栽培措值，季节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。施等都会影响土壤空气变化。随着土壤深度增加，土壤空气中随着土壤深度增加，土壤空气中COCO2 2含量增加，含量增加，O O2 2含量含量减少，其含量减少，其含量相互消长相互消长。三、土壤空气与作物生长三、土壤空气与作物生长 1、土壤空气与根系、土壤空气与根系 第一节第一节 土壤空气土壤空气第2页，共24页，编辑于2022年，星期五 若土壤空气中若土壤空气中O2的含量小于的含量小于9或或10，根系发育就会，根系发育就会受到影响，受到影响，O2含量低至含量低至5以下时，绝大多数作物根系停止以下时，绝大多数作物根系停止发育。发育。O2与与CO2在土壤空气中互为消长，当在土壤空气中互为消长，当在土壤空气中互为消长，当在土壤空气中互为消长，当COCO2 2含量大于含量大于1时，时，根系发育缓慢，至根系发育缓慢，至520，则为致死的含量。，则为致死的含量。土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如H2 2S使水使水稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚至死亡。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、土壤空气与种子萌发 种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时，葡萄种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时，葡萄种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时，葡萄种子萌发，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。糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。第一节第一节 土壤空气土壤空气第3页，共24页，编辑于2022年，星期五3、土壤空气与微生物活动、土壤空气与微生物活动 （1）土壤空气影响微生物活动，影响有机质转化。）土壤空气影响微生物活动，影响有机质转化。通气良好通气良好 利于有机质矿质化。利于有机质矿质化。（2）根系吸收养分，需通气良好条件下的呼吸作用提供能量）根系吸收养分，需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、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）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。水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用。（2）呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些隔离区）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。阻止病斑扩大。（3）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。第一节第一节 土壤空气土壤空气第4页，共24页，编辑于2022年，星期五 四、土壤空气与大气痕量温室气体的关系四、土壤空气与大气痕量温室气体的关系四、土壤空气与大气痕量温室气体的关系四、土壤空气与大气痕量温室气体的关系 大大气气中中痕痕量量温温室室气气体体（COCO2 2 2 2、CHCHCHCH4 4、N N2 2O O、氯氯氟氟烃烃化化合合物物）导致的气候变暖，是人们关注的重大环境问题。导致的气候变暖，是人们关注的重大环境问题。土土壤壤向向大大气气释释放放温温室室气气体体，因因此此说说土土壤壤是是大大气气痕痕量量温温室室气体的源。气体的源。土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇汇。五、土壤空气的运动五、土壤空气的运动 1 1、土壤空气的对流、土壤空气的对流 土土壤壤与与大大气气间间由由总总总总压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度推推动动的的气气体体整整体体流流动动，也也称质流。对流由高压区称质流。对流由高压区 低压区。低压区。第一节第一节 土壤空气土壤空气第5页，共24页，编辑于2022年，星期五总压力梯度的产生：总压力梯度的产生：气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。qv空空气气的的容容积积对对流流量量（单单位位时时间间通通过过单单位位横横截截面面积积的的空空气容积）气容积）“-”表示方向表示方向 k通气孔隙通气率通气孔隙通气率 土壤空气的粘度土壤空气的粘度 p土壤空气压力的三维（向）梯度土壤空气压力的三维（向）梯度 从公式可见从公式可见 空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大土壤对流公式：土壤对流公式：qv=-(k/)p第一节第一节 土壤空气土壤空气第6页，共24页，编辑于2022年，星期五 2、土壤空气的扩散、土壤空气的扩散 在大气和土壤之间在大气和土壤之间CO2和和O2浓度的不同形成分压梯度，浓度的不同形成分压梯度，驱使土壤从大气中吸收驱使土壤从大气中吸收O2，同时排出，同时排出CO2的气体扩散作用，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。称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主要机制。土壤中土壤中COCO2 2和和O O2 2的扩散过程分气相、液相两部分。的扩散过程分气相、液相两部分。通通过过充充气气孔孔隙隙扩扩散散保保持持着着大大气气和和土土壤壤间间的的气气体交流作用体交流作用 通过不同厚度水膜的扩散通过不同厚度水膜的扩散 两种扩散都可以用费克两种扩散都可以用费克(FickFick)定律表示：定律表示：qd=qd=Ddc/dxDdc/dx 气相扩散气相扩散液相扩散液相扩散第一节第一节 土壤空气土壤空气第7页，共24页，编辑于2022年，星期五 式式中中：qd扩扩散散通通量量(单单位位时时间间通通过过单单位位面面积积扩扩散散的的质质量量)；dc/dx浓度梯度；浓度梯度；D在该介质中扩散系数在该介质中扩散系数(其量纲为面积其量纲为面积/时间时间)从从公公式式可可见见，气气体体扩扩散散通通量量(qd)(qd)与与其其扩扩散散系系数数(D)(D)和和浓度梯度浓度梯度(dc/dx)(dc/dx)或分压梯度或分压梯度(dp/dx)(dp/dx)成正比。成正比。浓浓度度梯梯度度是是不不易易控控制制因因素素，所所以以只只有有调调整整扩扩散散系系数数D来来控控制制气体扩散通量。气体扩散通量。扩扩散散系系数数D值值的的大大小小取取决决于于土土壤壤性性质质，通通气气孔孔隙隙状状况况及及其影响因素其影响因素(质地、结构、松紧程度、土壤含水量等质地、结构、松紧程度、土壤含水量等D=D0Sl/le第一节第一节 土壤空气土壤空气第8页，共24页，编辑于2022年，星期五 式中：式中：D0自由空气中的扩散系数自由空气中的扩散系数 S未被水分占据的孔隙度未被水分占据的孔隙度 l土层厚度土层厚度 le气体分子扩散通过的实际长度气体分子扩散通过的实际长度 l/le和和S的值都小于的值都小于 1 结构良好土壤中，气体结构良好土壤中，气体在团聚体间大孔隙间扩散，而团聚体在团聚体间大孔隙间扩散，而团聚体内小孔隙则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部内小孔隙则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部通气性状。所以紧实大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团通气性状。所以紧实大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧。所以通气良好的旱地也会有厌气性微环块内部仍可能是缺氧。所以通气良好的旱地也会有厌气性微环境。境。第一节第一节 土壤空气土壤空气第9页，共24页，编辑于2022年，星期五 六、土壤通气指标六、土壤通气指标 1 1 总孔隙度总孔隙度总孔隙度总孔隙度505055%55%或或或或60%60%，其中通气孔度要求，其中通气孔度要求，其中通气孔度要求，其中通气孔度要求8 810%10%，最，最，最，最好好好好151520%20%。使土壤有一定保水能力又可透水通气。使土壤有一定保水能力又可透水通气。使土壤有一定保水能力又可透水通气。使土壤有一定保水能力又可透水通气。2 单位时间通过单位断面（或单位土重）的单位时间通过单位断面（或单位土重）的单位时间通过单位断面（或单位土重）的单位时间通过单位断面（或单位土重）的COCO2数量数量 土壤呼吸强度不仅作为土壤通气指标，而且是反映土土壤呼吸强度不仅作为土壤通气指标，而且是反映土壤肥力状况的一个综合指标。壤肥力状况的一个综合指标。3 34 土壤孔隙度土壤孔隙度土壤呼吸强度土壤呼吸强度土壤透水性土壤透水性土壤氧化还原电位土壤氧化还原电位第一节第一节 土壤空气土壤空气第10页，共24页，编辑于2022年，星期五第二节第二节 土壤热量土壤热量 一、土壤热量来源一、土壤热量来源1 土壤热量的最根本来源。太阳能的土壤热量的最根本来源。太阳能的99%为短波辐射。当为短波辐射。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，而土壤只吸收其中一少部分。分被云层和地面反射，而土壤只吸收其中一少部分。2 微生物分解有机质过程是放热过程。释放的热量一部分作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能源，大部分用来提高土温。在保护地的栽培和早春育为微生物能源，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，秧中，施用有机肥并添加热性物质，如半腐熟的马粪等，可促进如半腐熟的马粪等，可促进植物生长或幼苗早发快长。植物生长或幼苗早发快长。3 地壳传热能力差，对土壤温度影响极小，可忽略不计地壳传热能力差，对土壤温度影响极小，可忽略不计 太阳辐射能太阳辐射能生物热生物热 地热地热第11页，共24页，编辑于2022年，星期五二、土壤表面的辐射平衡及影响因素二、土壤表面的辐射平衡及影响因素 第二节第二节 土壤热量土壤热量 1、地面辐射平衡、地面辐射平衡 太阳直接短波辐射太阳直接短波辐射(I)地面短波反射地面短波反射(I+H)天空天空(大气大气)短波辐射短波辐射(H)地面长波辐射地面长波辐射 E 逆辐射逆辐射(长波辐射长波辐射)(G)I+H投入地面的太阳总短波辐射投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射环球辐射 (I+H)被地面反射出的短波辐射，被地面反射出的短波辐射，(为反射率为反射率)r=EG是是土土壤壤向向大大气气进进行行长长波波辐辐射射量量(E)与与大大气气升升温温反反向向土壤辐射量土壤辐射量(G)的差值；的差值；以以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的平衡差值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)+(GE)=(I+H)(1)r收入收入支出支出第12页，共24页，编辑于2022年，星期五 2、影响地面辐射平衡的因素、影响地面辐射平衡的因素 太阳的辐射强度太阳的辐射强度 主主要要取取决决于于气气候候；晴晴天天比比阴阴天天的的辐辐射射强强度度大大。天天气气条条件件相相同同条条件件下下取取决决于于太太阳阳光光在在地地面面上上的的投投射射角角(日日照照角角)，投投射射角角又又受纬度和坡向坡度等影响。受纬度和坡向坡度等影响。地面的反射率地面的反射率 太太阳阳入入射射角角、日日照照高高度度、地地面面状状况况，地地面面状状况况又又包包括括颜颜色色、粗糙程度、含水状况、植被及其他覆盖物状况粗糙程度、含水状况、植被及其他覆盖物状况 地面有效辐射地面有效辐射 云云雾雾、水水汽汽和和风风。强强烈烈吸吸收收和和反反射射地地面面发发出出的的长长波波辐辐射射，减减少少有效辐射。有效辐射。第二节第二节 土壤热量土壤热量第13页，共24页，编辑于2022年，星期五 三、土壤热量平衡三、土壤热量平衡 当土面获得太阳辐射当土面获得太阳辐射能转换为热能时，大部能转换为热能时，大部分热量消耗于土壤水分蒸分热量消耗于土壤水分蒸发和土壤与大气之间的湍发和土壤与大气之间的湍流热交换，一小部分被生流热交换，一小部分被生物活动所消耗，只有很少物活动所消耗，只有很少部分通过热交换传导至土部分通过热交换传导至土壤下层。壤下层。据右图，设太阳辐射据右图，设太阳辐射能能有有47%到到地地面面，蒸蒸腾腾消消耗耗占占23%，长长波波净净辐辐射射占占14%，对流传导占，对流传导占10%。第二节第二节 土壤热量土壤热量第14页，共24页，编辑于2022年，星期五 土壤收支平衡表示式土壤收支平衡表示式式中：式中：S单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；R辐射平衡；辐射平衡；P土壤与大气层之间的湍流交换量；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；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。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一般情况下，白天热量平衡方程计算出S为正值，即土壤为正值，即土壤温度升高；夜晚温度升高；夜晚S为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降低。低。S=RPLE+B第二节第二节 土壤热量土壤热量第15页，共24页，编辑于2022年，星期五 第三节第三节 土壤热性质土壤热性质一、土壤热容量一、土壤热容量 重量热容量重量热容量(Cp)：指单位重量土壤温度升高：指单位重量土壤温度升高1所需的热量所需的热量(卡卡/克克)。容积热容量容积热容量(Cv)：指单位容积的土壤温度升高：指单位容积的土壤温度升高1所需的热所需的热量量(卡卡/立方厘米立方厘米)。由于土壤组成分复杂，每种成分的热容量都不一样，不同成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。分的容重也不一样。Cv=Cp土壤容重土壤容重Cv=mCvVm+OCvVo+wCvVw+aCvVa第16页，共24页，编辑于2022年，星期五 式中：式中：mCv、OCv、wCv和和aCv分别为土壤矿物质、有分别为土壤矿物质、有 机质、水和空气的容积热容量；机质、水和空气的容积热容量；Vm、Vo、Vw和和Va分别为土壤矿物质、有机质、水和分别为土壤矿物质、有机质、水和空气在单位体积土壤中所占的体积比。空气在单位体积土壤中所占的体积比。气体的热容量可忽略，公式可简化为：气体的热容量可忽略，公式可简化为：影响土壤热容量组分中，土壤水有决定性作用。影响土壤热容量组分中，土壤水有决定性作用。从土壤三相角度看，液相的土壤水分的热容量最大，从土壤三相角度看，液相的土壤水分的热容量最大，气相最小；气相最小；Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/(cm3)第三节第三节 土壤热性质土壤热性质第17页，共24页，编辑于2022年，星期五 固相中，腐殖质热容量与其他成分相比有明显优势，其他固相中，腐殖质热容量与其他成分相比有明显优势，其他各组分热容量彼此差异不大，所以土壤热容量大小主要决定于各组分热容量彼此差异不大，所以土壤热容量大小主要决定于土壤水分多少和腐殖质含量。但是有机质含量比较固定，很难土壤水分多少和腐殖质含量。但是有机质含量比较固定，很难在短期内改善，只有水分是易变量，可以通过灌排调节土温。在短期内改善，只有水分是易变量，可以通过灌排调节土温。二、土壤导热率二、土壤导热率 1、概念、概念 土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。单位厚度单位厚度(1cm)土层，温差土层，温差1，每秒经单位断面，每秒经单位断面(1cm2)通过的热量卡数。通过的热量卡数。导热性导热性导热率导热率第三节第三节 土壤热性质土壤热性质第18页，共24页，编辑于2022年，星期五 水的导热率大于空气导热率，当土壤含水量低时，由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，特别是疏松孔隙多于空气导热率很小，因此土壤导热率小，特别是疏松孔隙多的土壤，导热率小。的土壤，导热率小。若含水量低但土壤紧实，热量可通过土粒若含水量低但土壤紧实，热量可通过土粒(矿物质矿物质)传传导，导热率则较大。导，导热率则较大。2、增大土壤导热率的意义、增大土壤导热率的意义 导热性好的湿润表土层白天吸收的热量易于传导到下层，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；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。小。第一节第一节 土壤空气土壤空气第19页，共24页，编辑于2022年，星期五土壤温度决定于土壤导热率和热容量。如果热量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一定，土壤温度升高的快慢和难易决定于其热扩散率。散率。1、概念、概念 指指在在标标准准状状况况下下，在在土土层层垂垂直直方方向向上上每每厘厘米米距距离离内内，1的的温温度度梯梯度度下下，每每秒秒流流入入1cm2土土壤壤断断面面面面积积的的热热量量，使使单单位位体积体积(1cm3)土壤所发生的温度变化，以土壤所发生的温度变化，以D表示。表示。式中式中 ：土壤导热率；土壤导热率；Cv土壤容积热容量土壤容积热容量D=/Cv(cm2/s)三、土壤热扩散率三、土壤热扩散率第三节第三节 土壤热性质土壤热性质第20页，共24页，编辑于2022年，星期五 影响影响和和C Cv v：质地、松紧度、结构及孔隙状况等：质地、松紧度、结构及孔隙状况等 土壤水的土壤水的D=5.02110D=5.02110-3-3，土壤空气的，土壤空气的D=2.09210D=2.09210-4 -4 -1.255101.25510-3-3，土粒的，土粒的D=8.410D=8.410-3-3-2.510-2.510-2-2/1.9/1.9。土壤固相物质组成稳定，土壤固相物质组成稳定，土壤扩散率主要取定于土土壤扩散率主要取定于土 壤水壤水和空气的比例。和空气的比例。当土壤含水率由小增到某一值时，当土壤含水率由小增到某一值时，D D逐渐增加至最大值；此逐渐增加至最大值；此时含水量再增加，时含水量再增加，D D反而变小。反而变小。因为前期含水量增加，因为前期含水量增加，和和C Cv v都增大，但后期土壤含水量增都增大，但后期土壤含水量增大，虽然大，虽然增大，但增大，但C Cv v增大更快一些，所以增大更快一些，所以D D反而逐渐减小。反而逐渐减小。第三节第三节 土壤热性质土壤热性质2、影响因素、影响因素第21页，共24页，编辑于2022年，星期五第四节第四节 土壤温度土壤温度 一、土壤温度年变化一、土壤温度年变化 升温阶段，一般为升温阶段，一般为升温阶段，一般为升温阶段，一般为1 1 1 1月至月至月至月至7 7 7 7月，月，月，月，7 7 7 7月达最高；月达最高；月达最高；月达最高；降温阶段，一般是为降温阶段，一般是为7 7月至次年月至次年1 1月，月，1 1月达最低。月达最低。土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为“时时时时滞滞滞滞”。温度的变幅也随土层深度而缩小，至。温度的变幅也随土层深度而缩小，至。温度的变幅也随土层深度而缩小，至。温度的变幅也随土层深度而缩小，至5 5 5 520202020米深处，土温年变米深处，土温年变米深处，土温年变米深处，土温年变幅消失。幅消失。幅消失。幅消失。二、二、土温日变化土温日变化 土表温度土表温度土表温度土表温度最高值最高值最高值最高值出现在当地时间出现在当地时间出现在当地时间出现在当地时间13131414时，时，时，时，最低温最低温最低温最低温出现在出现在日出之前。日出之前。土温日变幅以表土最大，至土温日变幅以表土最大，至40100cm深处变化幅度深处变化幅度小甚至消失。小甚至消失。第22页，共24页，编辑于2022年，星期五 三、影响土温变化的因素三、影响土温变化的因素三、影响土温变化的因素三、影响土温变化的因素 纬纬度度坡坡向向坡坡度度纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度。纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度。随纬度由低到高，自南而北土壤表面接随纬度由低到高，自南而北土壤表面接受的辐射强度减弱，土温由高到低受的辐射强度减弱，土温由高到低。北半球南坡接受太阳辐射最多，东南坡、北半球南坡接受太阳辐射最多，东南坡、西南坡次之，东坡、西坡、东北坡、西北西南坡次之，东坡、西坡、东北坡、西北依次递减，北坡最低。依次递减，北坡最低。北半球中纬度地区（北半球中纬度地区（30600）的南向坡，）的南向坡，随着坡度增加，接受太阳辐射增加。随着坡度增加，接受太阳辐射增加。第23页，共24页，编辑于2022年，星期五地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。海海拔拔高高度度土土壤壤因因素素地地面面覆覆盖盖海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热快，土壤吸收热量增多，所以高山土温比快，土壤吸收热量增多，所以高山土温比气温高。由于高山气温低，地面裸露时，气温高。由于高山气温低，地面裸露时，地面辐射增强，随着高度增加，土温比平地面辐射增强，随着高度增加，土温比平地的低。地的低。影响土温变化的土壤因素，包括土壤结构、影响土温变化的土壤因素，包括土壤结构、质地、松紧度、颜色、湿度、地表状态及质地、松紧度、颜色、湿度、地表状态及土壤水汽含量等土壤水汽含量等。第24页，共24页，编辑于2022年，星期五