第五章土壤空气与热量精选文档.ppt

《第五章土壤空气与热量精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章土壤空气与热量精选文档.ppt（30页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第五章土壤空气与热量本讲稿第一页，共三十页土壤空气与近地表大气组成，主要差别：土壤空气与近地表大气组成，主要差别：（1 1）土壤空气中的）土壤空气中的COCO2 2含量高于大气含量高于大气 （2 2）土壤空气中的）土壤空气中的O O2 2含量低于大气含量低于大气 （3 3）土壤空气中水汽含量一般高于大气）土壤空气中水汽含量一般高于大气 （4 4）土壤空气中含有较多的还原性气体）土壤空气中含有较多的还原性气体 。第一节第一节 土壤空气土壤空气一、土壤空气组成一、土壤空气组成 表表61土壤空气与大气组成差异土壤空气与大气组成差异气体气体O2(%)CO2(%)N2(%)其它气体其它气体(%)近地表大

2、气近地表大气20.940.03878.050.98土壤空气土壤空气18.020.030.150.6578.880.240.98本讲稿第二页，共三十页l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、pH值，季节变化及值，季节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。栽培措施等都会影响土壤空气变化。随着土壤深度增加，土壤空气中随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加，含量增加，O2含量含量减少，其含量减少，其含量相互消长相互消长本讲稿第三页，共三十页l随着土壤深度增加，土壤空气中随着土壤深度增加，土

3、壤空气中CO2含量增加，含量增加，O2含量减少含量减少l覆膜比露地覆膜比露地CO2浓度高浓度高,O2含量减少含量减少本讲稿第四页，共三十页 二、土壤空气的运动如果没有土壤通气性，土壤空气中的氧在很短时期内就可能被全部耗竭。如果没有土壤通气性，土壤空气中的氧在很短时期内就可能被全部耗竭。土壤与大气进行交换的机制有二:一是个别成份的分压梯度产生的-扩散 二是土壤与大气间由总压力梯度造成的整体交流土壤与大气间由总压力梯度造成的整体交流 1 1、土壤空气的对流、土壤空气的对流(整体交流整体交流)土土壤壤与与大大气气间间由由总总压压力力梯梯度度推推动动的的气气体体整整体体流流动动，也也称称质流。对流由高

4、压区质流。对流由高压区 低压区。低压区。土壤空气的对流受多种因素的影响土壤空气的对流受多种因素的影响:温度、气压温度、气压,风力、降水和灌溉的挤压风力、降水和灌溉的挤压第一节第一节 土壤空气土壤空气本讲稿第五页，共三十页 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，驱使土壤从大浓度的不同形成分压梯度，驱使土壤从大气中吸收气中吸收O2，同时排出，同时排出CO2的气体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与的气体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主要机制。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

5、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体交交流流作作用用 通过不同厚度水膜的扩散通过不同厚度水膜的扩散(溶解后扩散溶解后扩散,CO2快过快过O2)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 土壤空气土壤空气本讲稿第六页，共三十页 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

6、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。qd=(D/B)(dp/dx)B为分压梯度与浓度的比值为分压梯度与浓度的比值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、

7、结构、松紧程度、土壤含水量等第一节第一节 土壤空气土壤空气本讲稿第七页，共三十页 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，而团聚体内小孔隙则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，限制团聚体内部通气性状。所以紧实大团块，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，在团块内

8、部仍可能是缺氧。所以通气良好的旱地也会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境。有厌气性微环境。同一土壤同一土壤,不同的气体不同的气体D也不同也不同,如如O2约为约为CO2的的1.25倍倍第一节第一节 土壤空气土壤空气D=D0Sl/le本讲稿第八页，共三十页 补充补充:土壤通气指标土壤通气指标 1 总孔隙度总孔隙度5055%或或60%，其中通气孔度要求，其中通气孔度要求810%，最好，最好1520%。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CO2数

9、量数量 土壤呼吸强度不仅作为土壤通气指标，而且是反映土壤肥力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。状况的一个综合指标。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 土壤空气土壤空气本讲稿第九页，共三十页第二节第二节 土壤热量土壤热量土壤温度的重要性土壤温度的重要性土壤的热状况直接反映在土壤温度上。土壤温度影响到土壤的形成和形状及植物的生育，在一定温度范围内，土壤温度越高，植物生长越快。如种子萌发 根系的生长 作物的生理过程 营养生长和生殖生长本讲稿第十页，共三十页 一、土壤热量来源一、土壤热

10、量来源1 土壤热量的最根本来源。太阳常数土壤热量的最根本来源。太阳常数1368w/m2。2 微生物分解有机质过程是放热过程。对大田影响微乎其微生物分解有机质过程是放热过程。对大田影响微乎其微，在保护地的栽培和早春育秧中，施用有机肥并添加热性微，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，物质，如大量施用如大量施用 半腐熟的马粪等，可促进植物生长或幼苗半腐熟的马粪等，可促进植物生长或幼苗早发快长。早发快长。3 地地壳壳传传热热能能力力差差，对对土土壤壤温温度度影影响响极极小小（5454卡卡/年年.CM.CM2 2），一一般可忽略不计。地热是一种能源般可忽略不计。地热是一种能源太阳辐射能

11、太阳辐射能生物热生物热 地热地热本讲稿第十一页，共三十页本讲稿第十二页，共三十页二、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 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是土壤向大气进行长波辐射量是土壤向大气进行长波

12、辐射量(E)与大气升温反向土壤辐射量与大气升温反向土壤辐射量(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R为正，吸热，温度升高本讲稿第十三页，共三十页地面辐射平衡示意图本讲稿第十四页，共三十页 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天天气气和和日日照照角角；晴晴天天比比阴阴天天的的辐辐射射强强度度大大。日日照照角角越越大大，则则单单位位面面积积接接受受的的太太阳阳能能越越多多，（最最大大直直角

13、角），一一天天内内中中午午最最大大，投投射角又受纬度和坡向坡度等影响。射角又受纬度和坡向坡度等影响。南坡增加度，相当于南移南坡增加度，相当于南移100公里（低纬度地区更明显公里（低纬度地区更明显）地面的反射率地面的反射率太太阳阳的的入入射射角角越越大大，反反射射率率越越低低，反反之之越越大大。土土壤壤的的颜颜色色、粗粗糙糙程程度度、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。陆地表面的平均反射率为陆地表面的平均反射率为1035 入入射射角角越越大大，反反射射率率越越小小，（水水面面45为为 5%，15为为20%5 为为55%）第二节第二节 土壤热量土壤热

14、量本讲稿第十五页，共三十页 地面有效辐射（地面有效辐射（r=EG）长波辐射，能量不大，影响因素：长波辐射，能量不大，影响因素：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。辐射。海拔高度：海拔越高，空气密度，水汽，尘埃都少，逆辐射少海拔高度：海拔越高，空气密度，水汽，尘埃都少，逆辐射少地表特征：起伏地面大于平滑地面地表特征：起伏地面大于平滑地面地面覆盖可减少有效辐射（减少了热量吸收）地面覆盖可减少有效辐射（减少了热量吸收）晚上土壤降温主要原因是有效辐射造成的，喷雾，熏烟可防止晴天无云晚上土壤降温主要原因是有效辐射造成的

15、，喷雾，熏烟可防止晴天无云的晚上温度过降的晚上温度过降l 本讲稿第十六页，共三十页 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%，对对流传导占流传导占10%。第二节第二节 土壤

16、热量土壤热量本讲稿第十七页，共三十页 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；（教材前后没呼应）辐射平衡；（教材前后没呼应）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

17、量平衡方程计算出S为正值，即土壤温度为正值，即土壤温度升高；夜晚升高；夜晚S为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降低。为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降低。S=RPLE+B第二节第二节 土壤热量土壤热量本讲稿第十八页，共三十页 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 重量热容量重量热容量(C)：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/克克或或J/g)。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所需的热量所需的热量(卡卡/立方厘立方厘米米或或J/cm3)。Cv=C土壤容重土壤容重(土土)一

18、般矿质土粒一般矿质土粒C为为0.71 J/g,为为 2.65 则则mCv=0.712.65=1.9 J/cm3 有机质有机质C为为1.9 J/g,为为1.3 则则OCv=1.91.3=2.5 J/cm3 土壤水土壤水C或或wCv均为均为4.2 土壤空气土壤空气aCv=1.26103 J/cm3 单位体积土壤质量本讲稿第十九页，共三十页土壤不同组分的热容量土壤不同组分的热容量土壤组成物质土壤组成物质 重量热容量重量热容量 容积热容量容积热容量 J/（g）J/（cm3）粗石英砂粗石英砂 0.745 2.163高岭石高岭石 0.975 2.410石灰石灰 0.895 2.435腐殖质腐殖质 1.99

19、6 2.525土壤空气土壤空气 1.004 1.255103土壤水分土壤水分 4.184 4.184土壤热量土壤热量本讲稿第二十页，共三十页Cv=mCvVm+OCvVo+wCvVw+aCvVa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、机质、水和空气的容积热容量；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、水和空气分别为土壤矿物质、有机质、水和空气在单位体积土壤中所占的体积比。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：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/

20、(cm3)二、土壤导热率二、土壤导热率 1、概念、概念 导热性导热性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。导热率导热率 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)通过的热量卡数或焦耳数。通过的热量卡数或焦耳数。本讲稿第二十一页，共三十页lQ为传递的热量lA为面积 T为时间,Q/AT表示单位时间,通过单位面积的热量.lt1 和t2为土壤两端的温度,d为土层厚度l(t1-t2)/d为温度梯度l其单位为J/(cm.s.)本讲稿第二十二页，共三十页土壤组成分土壤组成分导热率导热率J/(cm2s)石英石英 4.4

21、27102湿砂粒湿砂粒 1.674102干砂粒干砂粒 1.674103泥炭泥炭 6.276104腐殖质腐殖质 1.255102土壤水土壤水 5.021103土壤空气土壤空气 2.092104土壤中固体的导热率最大土壤中固体的导热率最大,8.41032.5102,水其次水其次,约为约为5103,空气最小空气最小2104,平均水是空气的平均水是空气的25倍倍,固体部分是空气的固体部分是空气的100倍倍.对一个土壤对一个土壤,固体部分变化不大固体部分变化不大,调水是调节导热率的措施调水是调节导热率的措施。增水增水,一是增加一是增加C,使土温变化缓慢使土温变化缓慢,二是增加导热率二是增加导热率,本讲稿

22、第二十三页，共三十页 水的导热率大于空气导热率，当土壤含水量低时，由于空气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，特别是疏松孔隙多的土壤，导热导热率很小，因此土壤导热率小，特别是疏松孔隙多的土壤，导热率小。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)传导，传导，导热率则较大。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，使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；表层温度不易升高；夜间下层温度又向上层传递以补充

23、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 土壤空气土壤空气本讲稿第二十四页，共三十页（下层）土壤温度决定于土壤导热率和热容量。如（下层）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。热扩散率。土壤传递温度变化的性能土壤传递温度变化的性能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

24、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，使使单单位位体体积积(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本讲稿第二十五页，共三十页 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=5.02110-3-3/4.18=1.2/4.18=1.2103，土壤空气的土壤空气的D=2.09210D=2.0

25、9210-4-41.255101.25510-3-3=0.17=0.17土粒的土粒的D=8.410D=8.410-3-3-2.510-2.510-2-2/1.9=4.42/1.9=4.421031.3102。土壤固相物质组成稳定，土壤扩散率主要取定于土壤水和空气的比例。土壤固相物质组成稳定，土壤扩散率主要取定于土壤水和空气的比例。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；此时含水量再增加，逐渐增加至最大值；此时含水量再增加，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大，虽然都增大，但后期

26、土壤含水量增大，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P127 图6-4,质地的区别本讲稿第二十六页，共三十页第四节第四节 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1 1月至月至7 7月，月，7 7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“时滞时

27、滞”。温。温度的变幅也随土层深度而缩小，至度的变幅也随土层深度而缩小，至5 52525米深处，土温年变幅消失米深处，土温年变幅消失,纬度不纬度不同有区别。同有区别。表层本讲稿第二十七页，共三十页l二、土温日变化二、土温日变化 l 土表温度最高值出现在当地时间土表温度最高值出现在当地时间14时左右时左右(滞后于气温变化滞后于气温变化1小时小时)，最低温出现在日出之前。，最低温出现在日出之前。l 土温日变幅以表土最大，至土温日变幅以表土最大，至40100cm深处变化幅度小甚至消失深处变化幅度小甚至消失l土温的变化决定于辐射平衡的变化与土壤热性质土温的变化决定于辐射平衡的变化与土壤热性质:l晴天晴天

28、,变幅大变幅大,阴天变幅小阴天变幅小.植被的影响植被的影响l土壤质地、有机质含量、含水量、土色对土温变化都有显著的影响土壤质地、有机质含量、含水量、土色对土温变化都有显著的影响,主要是通主要是通过影响土壤的导热性来影响土温过影响土壤的导热性来影响土温本讲稿第二十八页，共三十页 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

29、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、西北北依次递减，北坡最低。北依次递减，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。本讲稿第二十九页，共三十页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，散热土壤吸收热量增多，所以高山土温比土壤吸收热量增多，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、湿度、颜色、地表状态及质地、松紧度、湿度、颜色、地表状态及土壤水含量等土壤水含量等。本讲稿第三十页，共三十页