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第8章土壤空气和热量本讲稿第一页，共四十四页主要内容(重点)：教学目标与要求：教学方式与手段：课时安排与进度：1.1.土壤空气（重点）土壤空气（重点）2.2.土壤热量土壤热量 3.3.土壤热性质土壤热性质 （重点）（重点）4.4.土壤温度土壤温度 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；了解土壤热量的来源，掌握土壤的三个热参数，理解土壤温度变化的影响因素。幻灯，动画演示；案例分析；课时数：2课时本讲稿第二页，共四十四页 第八章第八章 土壤空气和热量土壤空气和热量第一节第一节 土壤空气土壤空气 一一 土壤空气的组成土壤空气的组成 二二土壤空气的运动土壤空气的运动 三三土壤空气与土壤肥力土壤空气与土壤肥力本讲稿第三页，共四十四页 1 1 土壤空气的组成与植物生长土壤空气的组成与植物生长一、土壤空气的组成与变化气体O2CO2N2其他气体近地面的大气20.940.0378.050.95土壤空气18.020.030.150.6578.880.24土壤空气与大气组成的比较（容积%）本讲稿第四页，共四十四页土壤空气和进地面大气空气组成的差异土壤空气和进地面大气空气组成的差异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土壤空气中的水汽含量一般高于大气 4土壤空气中含有较高量的还原性气体（CH4等）土壤空气组成显然不是固定不变的。本讲稿第五页，共四十四页深度/cm覆膜露地0501072905010729CO2O2CO2O2CO2O2CO2O200.9150.0560.05650.15820.4971.00620.4390.7020.6490.21120.653100.42020.3971.06020.2750.10420.5130.27920.668150.25020.4860.86519.9530.13420.8570.38520.506200.48320.4781.34820.0600.15020.1210.40620.634300.57319.8651.15920.0050.31320.1811.15720.362500.92219.9291.52019.6980.40220.1981.28119.873平均0.61520.1241.26819.9530.26920.3290.84720.022 覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%)本讲稿第六页，共四十四页土壤空气的变化规律：土壤空气的变化规律：随着土层深度的增加，土壤空气中CO2含量增大，O2含量减少，无论在膜地或露地均是如此；气温和土温升高，根系呼吸加加强，微生物活动加快，土壤空气中CO2含量增加，夏季CO2含量最高；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1922%之间，本讲稿第七页，共四十四页本讲稿第八页，共四十四页土土壤壤空空气气对对植植物物生生长长的的影影响响，有有许许多多过过程程和和因因素素需需进进一一步步研研究。如土壤微生物需究。如土壤微生物需OO2 2有一个很宽的范围。有一个很宽的范围。仅仅仅仅一一个个空空气气容容量量指指标标并并不不能能肯肯定定土土壤壤是是否否能能满满足足植植物物和微生物对氧的需求。和微生物对氧的需求。土土壤壤中中COCO2 2浓浓度度对对植植物物生生长长的的影影响响也也有有待待进进一一步步研研究究。现现有有的的研研究究表表明明，某某一一特特定定植植物物对对COCO2 2浓浓度度有有一一最最佳佳值值,过过高高或或过过低低都都会会引引起起根根系系生生长长衰衰退退。过过高高浓浓度度COCO2 2往往往往伴伴随随缺缺OO2 2而而造造成成不不良良后后果果，但但一一定定浓浓度度COCO2 2对对植植物物生生长长也也有有促促进进作作用用，而而且且COCO2 2造造成成的的土土壤壤溶溶液液的的微微酸酸性性也也有有利利于于有有些些土土壤壤养养分分的的释放释放.注意：注意：本讲稿第九页，共四十四页二、二、土壤中的空气流土壤中的空气流（一）、对流（一）、对流对流，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。方程4.9就是土壤空气瞬态对流的近似方程。必须说明:使用此方程的基本前提是流动过程属层流，且这种层流是在小的压力差作用下产生的。本讲稿第十页，共四十四页（二）、土壤空气扩散扩散（soil air diffusion)气气体体扩扩散散是是指指气气体体分分子子由由浓浓度度大大（或或分分压压大大）处处向向浓浓度度小小（或或分分压小）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）引起的土壤中气体扩散过程也可用Fick第一定律表示。（4.10）式中：q表示体积扩散通量LT-1 Ds表示土壤中气体表观扩散系数L2T-1 C表示气体容积分数(浓度)L3L3 x表示扩散距离 L若用扩散气体的分压(P)代替浓度，方程为：（4.11）式中表示浓度与分压的换算常数（比值 本讲稿第十一页，共四十四页注意：注意：首先，土壤中气体表观扩散系数Ds必然比自由大气中的扩散系数Do小。其次，水在土中的传导性主要取决于孔隙的大小分布，不同充气孔隙度下草甸褐土透气率不同充气孔隙度下草甸褐土透气率K K值值(北京农业大学北京农业大学 1989)1989)基质势基质势(hPa)含水率含水率(%)充气孔度充气孔度(%)K(m/s)-9.840.2414.0612-9825.4728.83133-31023.0731.23272054.30682本讲稿第十二页，共四十四页三、三、土壤通气性土壤通气性(soil aeration)(soil aeration)（一）、土壤通气性的定义和指标（一）、土壤通气性的定义和指标 土壤通气性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。允许气体扩散和通气的能力。1 1静态指标静态指标 （1 1）容积分数或充气孔隙度）容积分数或充气孔隙度 （2 2）土壤的空气组成）土壤的空气组成 （COCO2 2和和OO2 2等的含量）等的含量）取样的代表性不十分确定取样的代表性不十分确定 2 2土壤通气量土壤通气量(soil air flux)(soil air flux)土土壤壤通通气气量量是是指指在在单单位位时时间间内内，单单位位压压力力下下，进进入入单单位位体体积积土土壤壤中中的的气气体体总总量量（COCO2 2和和OO2 2），常常用用单单位位是是毫毫升升 厘厘米米-2-2 秒秒-1-1。土土壤壤通通气气量量的的大大小小标标志志着着土土壤壤通通气气性性好好坏坏，通通气量大则土壤通气性良好。气量大则土壤通气性良好。本讲稿第十三页，共四十四页3 3土壤氧化还原电位（土壤氧化还原电位（EhEh）土壤的土壤的EhEh取决于土壤溶液中氧化态和还原态物质的浓取决于土壤溶液中氧化态和还原态物质的浓度比，而后者又主要取决于土壤中的氧化压或溶解态度比，而后者又主要取决于土壤中的氧化压或溶解态氧的浓度，这就直接与土壤通气性相联系。因此氧的浓度，这就直接与土壤通气性相联系。因此E Eh h可可以做为土壤通气性的指标，它指示土壤溶液中氧压的高以做为土壤通气性的指标，它指示土壤溶液中氧压的高低，反映土壤通气排水状况。低，反映土壤通气排水状况。本讲稿第十四页，共四十四页（二）、土壤通气性的调节（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。对于水田土壤，可通过落水晒田、晒垡，搁田及合理的下渗速率等措施。本讲稿第十五页，共四十四页 课堂测验：课堂测验：1、土壤空气质量的好坏关键不在其含量而于其质量()2、土壤空气和大气某些组成含量有差异，其他则是相同的()。3、土壤空气是水汽饱和的()4、土壤空气中的CO2的数量是越低越好()5、土壤空气的组成是时刻变化的()6、土壤水分含量的变化导致土壤通气性的变化()。7、土壤和土壤空气是矛盾的，永远无法调和的()8、在土壤 通气性中，对流比扩散更重要()9、土壤Eh值主要由氧体系的氧化还原电位来决定。()10、土壤通气的好坏主要受含水量和结构性的影响()。本讲稿第十六页，共四十四页第二节土壤热量(Soil heat)本讲稿第十七页，共四十四页一、土壤热量的来源一、土壤热量的来源（一）太阳的辐射能（一）太阳的辐射能 垂直于太阳光下一平方厘米的垂直于太阳光下一平方厘米的黑体表面在一分钟内吸收的辐射黑体表面在一分钟内吸收的辐射能常数），称作能常数），称作太阳常数太阳常数，一，一般为般为1.9k/cm2/min。9999的太阳能包含在的太阳能包含在0.3-4.00.3-4.0微微米的波长内，这一范围的波长通米的波长内，这一范围的波长通常称为短波辐射。常称为短波辐射。当太阳辐射通过大气层时，其热当太阳辐射通过大气层时，其热量一部分被大气吸收散射，一部量一部分被大气吸收散射，一部分被云层和地面反射，土壤吸收分被云层和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。其中的一少部分。本讲稿第十八页，共四十四页（二）生物热（二）生物热据估算，含有机质4的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.281096.99109KJ，相当于2050吨无烟煤的热量。（三）地球内热（三）地球内热本讲稿第十九页，共四十四页二、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 （一）地面辐射平衡（一）地面辐射平衡 太阳的辐射主要是短波辐射，太阳辐射透过大气层时，少部分直接到达地表的太阳能称为太阳直接辐射（I）。被大气散射和云层反射的太阳辐射能，通过多次的散射和反射，又将其中的一部分辐射到地球上，一般称为天空辐射能或大气辐射（H）。太阳直接辐射和大气辐射都是短波辐射。I+HI+H之和为投入地面的太阳总短波辐射，又称为之和为投入地面的太阳总短波辐射，又称为环球辐射环球辐射 本讲稿第二十页，共四十四页本讲稿第二十一页，共四十四页 （二）影响地面辐射平衡的因素（二）影响地面辐射平衡的因素 1 1、太阳的辐射强度、太阳的辐射强度 日照角越大日照角越大，坡度越大，地面接受的太阳辐射越多。，坡度越大，地面接受的太阳辐射越多。在中纬度地区，南坡坡地每增加一度，约相当于纬度南移在中纬度地区，南坡坡地每增加一度，约相当于纬度南移100公里所产公里所产生的影响。生的影响。同样，在中纬度地区，南坡比北坡接受的辐射能多，土温也比北坡高。同样，在中纬度地区，南坡比北坡接受的辐射能多，土温也比北坡高。坡度越陡，坡向的温差越大。坡向的这种差异具有巨大的生态意义和农坡度越陡，坡向的温差越大。坡向的这种差异具有巨大的生态意义和农业意义。业意义。2 2、地面的反射率、地面的反射率太阳的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的颜色、粗糙程度、太阳的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的颜色、粗糙程度、含水状况，植被及其他覆盖物等都影响反射率。含水状况，植被及其他覆盖物等都影响反射率。本讲稿第二十二页，共四十四页3 3、地面有效辐射、地面有效辐射 影响地面有效辐射的因子有：影响地面有效辐射的因子有：（1 1）云雾、水汽和风：它们能强烈吸收和反射地面发出）云雾、水汽和风：它们能强烈吸收和反射地面发出的长波辐射，使大气逆辐射增大，因而使地面有效辐射减少；的长波辐射，使大气逆辐射增大，因而使地面有效辐射减少；（2 2）海拔高度：空气密度、水汽、尘埃随海拔高度增）海拔高度：空气密度、水汽、尘埃随海拔高度增加而减少，大气逆辐射相应减少，有效辐射增大；加而减少，大气逆辐射相应减少，有效辐射增大；（3 3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面辐射面）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面辐射面大，有效辐射也大；大，有效辐射也大；（4 4）地面覆盖：导热性差的物体如秸杆、草皮、残枝落）地面覆盖：导热性差的物体如秸杆、草皮、残枝落叶等覆盖地面时，可减少地面的有效辐射。叶等覆盖地面时，可减少地面的有效辐射。本讲稿第二十三页，共四十四页本讲稿第二十四页，共四十四页三、土壤的热量平衡三、土壤的热量平衡土壤热量收支平衡可用下式表示：土壤热量收支平衡可用下式表示：S=Q S=Q P P L LE E+R+R S为土壤在单位时间内实际获得或失掉的热量；Q为辐射平衡；L为水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加;P为土壤与大气层之间的湍流交换量；R为土面与土壤下层之间的热交换量。本讲稿第二十五页，共四十四页第三节第三节 土壤热性质土壤热性质一、土壤热容量一、土壤热容量(soil heat capacity,soil thermal capacity)(soil heat capacity,soil thermal capacity)土壤热容量土壤热容量是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）11所需要（或放出的）热量。所需要（或放出的）热量。C C代表质量（重量）热容量代表质量（重量）热容量(mass heat capacity)(mass heat capacity)，单位是，单位是JgJg-1-1-1-1。C Cv v代表代表容积热容量容积热容量(volume heat capacity)(volume heat capacity)，单位是（，单位是（JcmJcm-3-3-1-1）。）。请注意矿物质、有机质、水的两种热容量值。请注意矿物质、有机质、水的两种热容量值。土壤的容积热容量（土壤的容积热容量（CvCv）可用下式表示：）可用下式表示：Cv=mCvCv=mCvVm+oCvVm+oCvVo Vo wCvwCvVw+aCvVw+aCvVa (6Va (67)7)因空气的热容量很小，可忽容不计，故土壤热容量可简化为：因空气的热容量很小，可忽容不计，故土壤热容量可简化为：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw(JcmCv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw(Jcm-3-3 C C-1-1)(6)(68)8)本讲稿第二十六页，共四十四页表表6-1 6-1 不同土壤组分的热容量不同土壤组分的热容量本讲稿第二十七页，共四十四页要注意要注意C C和和CVCV之间的换算，对于均质的土壤而言之间的换算，对于均质的土壤而言 C CV V=r=rC C (1)(1)有些书上用有些书上用 C CV V=C C (2)(2)来表示是不正确的，来表示是不正确的，表示土壤容重，表示土壤容重，应用下式表示应用下式表示 C=CC=Cs sMMs s+C+CwwMMww+C+Ca aMMa a (3)(3)式式中中C Cs s,C Cww,C Ca a分分别别表表示示土土壤壤固固相相、液液相相和和气气相相的的质质量量热热容容量量；MMs s,MMww,MMa a分分别别表表示示单单位位质质量量土土壤壤中中固固相相、液液相相和和气气相相所所占占的的质质量量(比例）。比例）。如果用容积热容量表示如果用容积热容量表示 C Cv v=C=CvsvsV Vs s+C+CvwvwV Vww+C+CvavaV Va a (4)(4)式中式中V Vs s,V,Vww,V,Va a分别表示单位容积土壤中固相、液相和气相所占分别表示单位容积土壤中固相、液相和气相所占的比例，的比例，C Cvsvs,C,Cvwvw,C,Cvava分别表示土壤中固相、液相和气相的容积热分别表示土壤中固相、液相和气相的容积热容量（比例）。容量（比例）。本讲稿第二十八页，共四十四页 在在式式(4)(4)中中，由由于于气气体体的的热热容容量量CvCv很很小小，相相对对可可以以忽忽略略，于于是是式式(4)(4)可写成可写成 C CV V=C=CvsvsV Vs s+C+Cvwvw V Vww (5)(5)在式在式(5)(5)中，中，V Vww=v v(土壤容积含水量土壤容积含水量)，根据式，根据式(1)(1)C Cvsvs=r=rs sCsCs (6)(6)r rs s=M=MS S/V/VS S=/V=/VS S V Vs s=/r=/rs s (7)(7)将将(6)(6)、(7)(7)代入式代入式(5)(5)得得 C Cv v=C=Cs s+C+Cvwvw v v (8)(8)一一般般情情况况下下，水水的的热热容容量量可可以以4.18J.cm3/4.18J.cm3/，当当有有机机质质含含量量不不高高时时，固相物质的质量热容量可以近似取固相物质的质量热容量可以近似取0.85J/g/0.85J/g/，则式，则式(8)(8)可变为可变为 C Cv v=0.85+4.18=0.85+4.18 v v (9)(9)本讲稿第二十九页，共四十四页由式(9)可以看出，土壤热容量色土壤容重和含水量的增加而增大，对于一定土壤而其固相物质容重变化很小，而其含水量则变化很大，故水分对土壤热容量影响最大。砂土含水量一般比粘土小，而空气含量较高，所以其热容量一般较低。本讲稿第三十页，共四十四页二、土壤导热率二、土壤导热率导热性导热性:土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为导热土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为导热性。导热性大小用导热率表示。性。导热性大小用导热率表示。导热率导热率:heat conductivity,thermal conductivity:heat conductivity,thermal conductivity 在单位厚度（在单位厚度（1 1厘米）土层，温差为厘米）土层，温差为11时，每秒钟经时，每秒钟经单位断面（单位断面（1 1厘米厘米2 2）通过的热量焦耳数（）通过的热量焦耳数（）。其单位是）。其单位是J.cmJ.cm-2-2.s.s-1-1.-1-1。本讲稿第三十一页，共四十四页 当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气当土壤干燥缺水时，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。隙被水分占领，导热率增大。本讲稿第三十二页，共四十四页本讲稿第三十三页，共四十四页三、土壤的热扩散率三、土壤的热扩散率 土壤热扩散率土壤热扩散率 是指在标准状是指在标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距况下，在土层垂直方向上每厘米距离内，离内，11的温度梯度下，每秒流入的温度梯度下，每秒流入1cm1cm2 2土壤断面面积的热量，使单位土壤断面面积的热量，使单位体积（体积（1cm1cm3 3）土壤所发生的温度变）土壤所发生的温度变化。其大小等于土壤导热率化。其大小等于土壤导热率/容积容积热容量之比值。热容量之比值。上式中:为土壤导热率，Cv为土壤容积热容量。本讲稿第三十四页，共四十四页第四节第四节 土壤温度（土壤温度（Soil temperature)Soil temperature)一、土壤温度的季节或月变化本讲稿第三十五页，共四十四页二、土壤温度的日变化二、土壤温度的日变化本讲稿第三十六页，共四十四页二、土壤温度的日变化本讲稿第三十七页，共四十四页本讲稿第三十八页，共四十四页三、地形地貌和土壤性质对土温的影响三、地形地貌和土壤性质对土温的影响 (一）海拔高度对土壤温度的影响一）海拔高度对土壤温度的影响 在山区随着高度的增加，土温还是比平地的土温低。在山区随着高度的增加，土温还是比平地的土温低。（二）坡向与坡度对土壤温度的影响（二）坡向与坡度对土壤温度的影响 坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤水和不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤水和植物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温植物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温度和水分状况可以促进早发、早熟。度和水分状况可以促进早发、早熟。（三）土壤的组成和性质对土壤温度的影响（三）土壤的组成和性质对土壤温度的影响 土壤颜色深的，吸收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅色的土壤颜色深的，吸收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅色的土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色的差异可土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色的差异可以使不同土壤在同一时间的土表温度相差以使不同土壤在同一时间的土表温度相差2 244，园艺栽培中或农作物，园艺栽培中或农作物的苗床中，有的在表面覆盖一层炉碴、草木灰或土杂肥等深色物质以的苗床中，有的在表面覆盖一层炉碴、草木灰或土杂肥等深色物质以提高土温。提高土温。本讲稿第三十九页，共四十四页一般在通气良好的土壤中，植物根系长、颜色浅、根毛多；而缺氧则会阻碍根系伸长和侧根萌生，根系短而粗，颜色暗，根毛大量减少。据北京农业大学实验站对棉花地的观测，结果表明：土壤空气中O2和CO2含量维持在21%左右，O2占其中85%以上时棉花根系发育良好；当O2占70%以上时,棉花根系能正常生长；而CO2占60%以上时，根系生长完全停止。本讲稿第四十页，共四十四页土壤空气氧浓度临界值(Vol%)作物O2临界值作者大麦7%10%Geisler1969玉米14%Geisler1969豌豆20%Ammore,1961,Geisler1969棉花10%Tacket1964谷类胚芽10%Gill1956本讲稿第四十一页，共四十四页1 1、土壤含水量愈低，其热容量越小，导热率愈低土壤升温越快、土壤含水量愈低，其热容量越小，导热率愈低土壤升温越快()()2 2、灌溉可降低土壤表层土的昼夜温差。、灌溉可降低土壤表层土的昼夜温差。()()3 3、中耕松土，可降低土壤表层土的热容量，而促进表土升温。、中耕松土，可降低土壤表层土的热容量，而促进表土升温。()()4 4、一日之内土壤上下各层温度变化是同步的、一日之内土壤上下各层温度变化是同步的 ()()5 5、土壤热量全部来源是太阳辐射。、土壤热量全部来源是太阳辐射。()()6 6、土温的变化与土壤肥力的高低无关。、土温的变化与土壤肥力的高低无关。()()7 7、土壤热容量随土壤容重和含水量的增加而增大、土壤热容量随土壤容重和含水量的增加而增大()()。8 8、土壤有机质含量越高，其热容量越大、土壤有机质含量越高，其热容量越大 ()()9 9、土壤热扩散率随含水量的增加而增加，随热容量的增大而减小、土壤热扩散率随含水量的增加而增加，随热容量的增大而减小 ()()。1010、热热扩扩散散率率表表示示土土壤壤升升温温的的难难易易，导导热热率率表表示示是是热热传传导导的的快快慢慢。()课堂测验课堂测验快速判断！快速判断！本讲稿第四十二页，共四十四页 本章小结：本章小结：一、概念一、概念 土壤呼吸土壤呼吸 呼吸商呼吸商 气体扩散气体扩散 Eh Eh 土壤通气性土壤通气性 土壤热容量土壤热容量 土壤导热率土壤导热率 土壤热扩散率土壤热扩散率 土壤热状况土壤热状况 二问答题二问答题 1 1、土壤空气的组成有何缺点、土壤空气的组成有何缺点?2 2、土壤通气、土壤通气 性对土壤肥力有何影响性对土壤肥力有何影响?3 3、土壤、土壤EhEh的意义是什么的意义是什么?4 4、如何调节土壤的通气性、如何调节土壤的通气性?本讲稿第四十三页，共四十四页5、调节土壤热状况的关键是措施是什么?为什么?6、育秧时有牲畜份内欧苗床促早发的机理是什么?3、在沙漠地带，为什么有“朝穿皮袄午穿纱，晚上围着火炉吃西瓜”的气候?4、粘土为什么叫“冷性土”?砂土为什么叫“暖性土”?5、入冬前小麦灌水可防冻，为什么?而春天灌返青水又不宜过早，又为什么?6、农民为什么说“锄下有水又有火”?7、地下水为什么冬暖夏凉?本讲稿第四十四页，共四十四页