土壤空氣與熱量第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六土壤空氣與近地表大氣組成，主要差別：

（1）土壤空氣中的CO2含量高于大氣（2）土壤空氣中的O2含量低于大氣（3）土壤空氣中水汽含量一般高于大氣（4）土壤空氣中含有較多的還原性氣體。

第一節(jié)土壤空氣一、土壤空氣組成

表6－1土壤空氣與大氣組成差異氣體O2(%)CO2(%)N2(%)其它氣體(%)近地表大氣20.940.03878.050.98土壤空氣18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98第2頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六土壤空氣的組成不是固定不變的，土壤水分、土壤生物活動(dòng)、土壤深度、土壤溫度、pH值，季節(jié)變化及栽培措施等都會(huì)影響土壤空氣變化。隨著土壤深度增加，土壤空氣中CO2含量增加，O2含量減少，其含量相互消長(zhǎng)第3頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六隨著土壤深度增加，土壤空氣中CO2含量增加，O2含量減少覆膜比露地CO2濃度高,O2含量減少第4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

二、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)如果沒有土壤通氣性，土壤空氣中的氧在很短時(shí)期內(nèi)就可能被全部耗竭。土壤與大氣進(jìn)行交換的機(jī)制有二:一是個(gè)別成份的分壓梯度產(chǎn)生的---擴(kuò)散二是土壤與大氣間由總壓力梯度造成的整體交流1、土壤空氣的對(duì)流(整體交流)土壤與大氣間由總壓力梯度推動(dòng)的氣體整體流動(dòng)，也稱質(zhì)流。對(duì)流由高壓區(qū)低壓區(qū)。土壤空氣的對(duì)流受多種因素的影響:溫度、氣壓,風(fēng)力、降水和灌溉的擠壓第一節(jié)土壤空氣第5頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

2、土壤空氣的擴(kuò)散在大氣和土壤之間CO2和O2濃度的不同形成分壓梯度，驅(qū)使土壤從大氣中吸收O2，同時(shí)排出CO2的氣體擴(kuò)散作用，稱為土壤呼吸。是土壤與大氣交換的主要機(jī)制。土壤中CO2和O2的擴(kuò)散過程分氣相、液相兩部分。通過充氣孔隙擴(kuò)散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用通過不同厚度水膜的擴(kuò)散(溶解后擴(kuò)散,CO2快過O2)兩種擴(kuò)散都可以用費(fèi)克(Fick)定律表示：

qd=-Ddc/dx

氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散第一節(jié)土壤空氣第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中：qd--擴(kuò)散通量(單位時(shí)間通過單位面積擴(kuò)散的質(zhì)量)；dc/dx--濃度梯度；D--在該介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)(其量綱為面積/時(shí)間)

從公式可見，氣體擴(kuò)散通量(qd)與其擴(kuò)散系數(shù)(D)和濃度梯度(dc/dx)或分壓梯度(dp/dx)成正比。qd=－(D/B)(dp/dx)B為分壓梯度與濃度的比值濃度梯度是不易控制因素，所以只有調(diào)整擴(kuò)散系數(shù)D來控制氣體擴(kuò)散通量。

擴(kuò)散系數(shù)D值的大小取決于土壤性質(zhì)，通氣孔隙狀況及其影響因素(質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度、土壤含水量等第一節(jié)土壤空氣第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中：D0--自由空氣中的擴(kuò)散系數(shù)S--未被水分占據(jù)的孔隙度()

l--土層厚度

le--氣體分子擴(kuò)散通過的實(shí)際長(zhǎng)度

l/le和S的值都小于1

結(jié)構(gòu)良好土壤中，氣體在團(tuán)聚體間大孔隙間擴(kuò)散，而團(tuán)聚體內(nèi)小孔隙則較長(zhǎng)時(shí)間保持或接近水飽和狀態(tài)，限制團(tuán)聚體內(nèi)部通氣性狀。所以緊實(shí)大團(tuán)塊，即使周圍大孔隙通氣良好，在團(tuán)塊內(nèi)部仍可能是缺氧。所以通氣良好的旱地也會(huì)有厭氣性微環(huán)境。同一土壤,不同的氣體D也不同,如O2約為CO2的1.25倍第一節(jié)土壤空氣D=D0·S·l/le第8頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六補(bǔ)充:土壤通氣指標(biāo)1總孔隙度50～55%或60%，其中通氣孔度要求8～10%，最好15～20%。使土壤有一定保水能力又可透水通氣。2單位時(shí)間通過單位斷面（或單位土重）的CO2數(shù)量土壤呼吸強(qiáng)度不僅作為土壤通氣指標(biāo)，而且是反映土壤肥力狀況的一個(gè)綜合指標(biāo)。34土壤孔隙度土壤呼吸強(qiáng)度土壤透水性土壤氧化還原電位第一節(jié)土壤空氣第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)土壤熱量土壤溫度的重要性土壤的熱狀況直接反映在土壤溫度上。土壤溫度影響到土壤的形成和形狀及植物的生育，在一定溫度范圍內(nèi)，土壤溫度越高，植物生長(zhǎng)越快。

如種子萌發(fā)根系的生長(zhǎng)作物的生理過程營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)第10頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

一、土壤熱量來源1土壤熱量的最根本來源。太陽(yáng)常數(shù)1368w/m2

。2微生物分解有機(jī)質(zhì)過程是放熱過程。對(duì)大田影響微乎其微，在保護(hù)地的栽培和早春育秧中，施用有機(jī)肥并添加熱性物質(zhì)，如大量施用半腐熟的馬糞等，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)或幼苗早發(fā)快長(zhǎng)。3地殼傳熱能力差，對(duì)土壤溫度影響極小（54卡/年.CM2），一般可忽略不計(jì)。地?zé)崾且环N能源太陽(yáng)輻射能生物熱地?zé)岬?1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、土壤表面的輻射平衡及影響因素第二節(jié)土壤熱量1、地面輻射平衡

太陽(yáng)直接短波輻射(I)地面短波反射(I+H)×α天空(大氣)短波輻射(H)地面長(zhǎng)波輻射E逆輻射(長(zhǎng)波輻射)(G)I+H-投入地面的太陽(yáng)總短波輻射(環(huán)球輻射）(I+H)×α-被地面反射出的短波輻射，(α為反射率)r=E-G-是土壤向大氣進(jìn)行長(zhǎng)波輻射量(E)與大氣升溫反向土壤輻射量(G)的差值；以R代表地面輻射能的總收入減去總支出的平衡差值

R=[(I+H)-(I+H)×α]+(G-E)=(I+H)(1-α)-r收入支出R為正，吸熱，溫度升高第13頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六地面輻射平衡示意圖第14頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、影響地面輻射平衡的因素⑴

太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度

主要取決于天氣和日照角；晴天比陰天的輻射強(qiáng)度大。日照角越大，則單位面積接受的太陽(yáng)能越多，（最大直角），一天內(nèi)中午最大，投射角又受緯度和坡向坡度等影響。南坡增加１度，相當(dāng)于南移100公里（低緯度地區(qū)更明顯）⑵

地面的反射率太陽(yáng)的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的顏色、粗糙程度、含水狀況，植被及其他覆蓋物等都影響反射率。陸地表面的平均反射率為10—35％

入射角越大，反射率越小，（水面45°為5%，15°為20%5°為55%）

第二節(jié)土壤熱量第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六⑶地面有效輻射（

r=E-G）長(zhǎng)波輻射，能量不大，影響因素：云霧、水汽和風(fēng)。強(qiáng)烈吸收和反射地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，減少有效輻射。海拔高度：海拔越高，空氣密度，水汽，塵埃都少，逆輻射少地表特征：起伏地面大于平滑地面地面覆蓋可減少有效輻射（減少了熱量吸收）晚上土壤降溫主要原因是有效輻射造成的，噴霧，熏煙可防止晴天無(wú)云的晚上溫度過降

第16頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

三、土壤熱量平衡當(dāng)土面獲得太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)，大部分熱量消耗于土壤水分蒸發(fā)和土壤與大氣之間的湍流熱交換，一小部分被生物活動(dòng)所消耗，只有很少部分通過熱交換傳導(dǎo)至土壤下層。據(jù)右圖，設(shè)太陽(yáng)輻射能有47%到地面，蒸騰消耗占23%，長(zhǎng)波凈輻射占14%，對(duì)流傳導(dǎo)占10%。第二節(jié)土壤熱量第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

土壤收支平衡表示式式中：S-單位時(shí)間內(nèi)土壤實(shí)際獲得或失掉的熱量；R-輻射平衡；（教材前后沒呼應(yīng)）P-土壤與大氣層之間的湍流交換量；LE-水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結(jié)而造成的熱量損失或增加的量；B—土面與土壤下層的之間的熱交換量。正負(fù)雙重號(hào)表示不同情況下有土溫增或減的不同方向一般情況下，白天熱量平衡方程計(jì)算出S為正值，即土壤溫度升高；夜晚S為負(fù)值，土表不斷向外輻射損失熱量，溫度降低。

S=R±P±LE+B第二節(jié)土壤熱量第18頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)土壤熱性質(zhì)一、土壤熱容量重量熱容量(C)：指單位重量土壤溫度升高1℃所需的熱量(卡/克·℃或J/g·℃)。容積熱容量(Cv)：指單位容積的土壤溫度升高1℃所需的熱量(卡/立方厘米·℃或J/cm3·℃)。

Cv=C×土壤容重(ρ土)一般礦質(zhì)土粒C為0.71J/g·℃,ρ為2.65則mCv=0.71×2.65=1.9J/cm3·℃

有機(jī)質(zhì)C為1.9J/g·℃,ρ為1.3則OCv=1.9×1.3=2.5J/cm3·℃

土壤水C或wCv均為4.2土壤空氣aCv=1.26×10-3J/cm3·℃

單位體積土壤質(zhì)量第19頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六土壤不同組分的熱容量土壤組成物質(zhì)重量熱容量容積熱容量[J/（g·℃）][J/（cm3·℃）]粗石英砂0.7452.163高嶺石0.9752.410石灰0.8952.435腐殖質(zhì)1.9962.525土壤空氣1.0041.255×10-3土壤水分4.1844.184土壤熱量第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Cv=mCv·Vm+OCv·Vo+wCv·Vw+aCv·Va式中：mCv、OCv、wCv和aCv分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣的容積熱容量；Vm、Vo、Vw和Va分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣在單位體積土壤中所占的體積比。氣體的熱容量可忽略，公式可簡(jiǎn)化為：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw[J/(cm3·℃)]二、土壤導(dǎo)熱率1、概念

導(dǎo)熱性--土壤具有的將所吸熱量傳到鄰近土層的性質(zhì)。導(dǎo)熱率λ--單位厚度(1cm)土層，溫差1℃，每秒經(jīng)單位斷面(1cm2)通過的熱量卡數(shù)或焦耳數(shù)。第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Q為傳遞的熱量A為面積T為時(shí)間,Q/AT表示單位時(shí)間,通過單位面積的熱量.t1

和t2為土壤兩端的溫度,d為土層厚度(t1-t2)/d為溫度梯度其單位為J/(cm.s.℃)第22頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六土壤組成分導(dǎo)熱率〔J/(cm2·s·℃)〕石英4.427×10－2濕砂粒1.674×10－2干砂粒1.674×10－3泥炭6.276×10－4腐殖質(zhì)1.255×10－2土壤水5.021×10－3土壤空氣2.092×10－4土壤中固體的導(dǎo)熱率最大,8.4×10-3～2.5×10-2,水其次,約為5×10-3,空氣最小2×10-4,平均水是空氣的25倍,固體部分是空氣的100倍.對(duì)一個(gè)土壤,固體部分變化不大,調(diào)水是調(diào)節(jié)導(dǎo)熱率的措施。增水,一是增加C,使土溫變化緩慢,二是增加導(dǎo)熱率,第23頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

水的導(dǎo)熱率大于空氣導(dǎo)熱率，當(dāng)土壤含水量低時(shí)，由于空氣導(dǎo)熱率很小，因此土壤導(dǎo)熱率小，特別是疏松孔隙多的土壤，導(dǎo)熱率小。若含水量低但土壤緊實(shí)，熱量可通過土粒(礦物質(zhì))傳導(dǎo)，導(dǎo)熱率則較大。2、增大土壤導(dǎo)熱率的意義導(dǎo)熱性好的濕潤(rùn)表土層白天吸收的熱量易于傳導(dǎo)到下層，使表層溫度不易升高；夜間下層溫度又向上層傳遞以補(bǔ)充上層熱量的散失，使表層溫度下降也不致過低，因而導(dǎo)熱性好的濕潤(rùn)土壤晝夜溫差較小。

第一節(jié)土壤空氣第24頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（下層）土壤溫度決定于土壤導(dǎo)熱率和熱容量。如果熱量一定，土壤溫度升高的快慢和難易決定于其熱擴(kuò)散率。土壤傳遞溫度變化的性能1、概念指在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，在土層垂直方向上每厘米距離內(nèi)，1℃的溫度梯度下，每秒流入1cm2土壤斷面面積的熱量，使單位體積(1cm3)土壤所發(fā)生的溫度變化，以D表示。

式中：λ→土壤導(dǎo)熱率；Cv→土壤容積熱容量D=λ/Cv(cm2/s)三、土壤熱擴(kuò)散率第三節(jié)土壤熱性質(zhì)第25頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

影響λ和Cv：質(zhì)地、松緊度、結(jié)構(gòu)及孔隙狀況等

土壤水的D=5.021×10-3/4.18=1.2×10-3，土壤空氣的D=2.092×10-4÷1.255×10-3=0.17土粒的D=8.4×10-3-2.5×10-2/1.9=4.42×10-3～1.3×10-2。土壤固相物質(zhì)組成穩(wěn)定，土壤擴(kuò)散率主要取定于土壤水和空氣的比例。當(dāng)土壤含水率由小增到某一值時(shí)，D逐漸增加至最大值；此時(shí)含水量再增加，D反而變小。因?yàn)榍捌诤吭黾?，λ和Cv都增大，但后期土壤含水量增大，雖然λ增大，但Cv增大更快一些，所以D反而逐漸減小。第三節(jié)土壤熱性質(zhì)2、影響因素P127圖6-4,質(zhì)地的區(qū)別第26頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

第四節(jié)土壤溫度一、土壤溫度年變化

升溫階段，一般為1月至7月，7月達(dá)最高；降溫階段，一般是為7月至次年1月，1月達(dá)最低。