土壤水分、空气和热量

1cm
19 ℃
（2）导热率的物理意义
导热率大则传热快，得热后迅速下传（失热后迅速补 给），引起的变温小。
导热率小则传热慢，得热后不易下传（失热后补给缓 慢），引起的变温大。
J s-1
1cm2
20 ℃
21 ℃ 21 ℃
1cm
19 ℃
20 ℃ 19.2 ℃
Question：土壤的导热率大小取决于什么？ Answer：取决于土壤中的基本组成物质。
固相 50% 矿物质45% 水20-30% 空气
30-20% 孔隙50%
有机质5%
不同土壤组分的热容量
土壤组成物质
粗石英砂 高岭石 石灰 腐殖质 Fe2O3 Al2O3
土壤空气 土壤水分
重量热容量 （Jg-1℃-1）
0.745 0.975 0.895 0.682 0.908 1.996 1.004 4.184
一般作物根系的吸水力平均为1.5MPa。
2、土壤膜状水
土壤膜状水：吸湿水达到最大后,土壤还有剩余的引力吸 附液态水, 在吸湿水的外围形成一层水膜。
膜 状 水 示 意 图
土壤膜状水的有效性：
土壤膜状水
3.1MPa (靠近土壤内层）（无效水）
受到的引力
0.625 MPa (靠近土壤外层）（有效水）
一般作物根系的吸水力平均为1.5MPa。
取容积为1的土壤，设它吸收（放出）的热量为 ⊿Q，引起的温度变化为⊿T ，则根据定义Cv=⊿Q/⊿T, 这就是容积热容量。
转换公式一下：⊿T=⊿Q/Cv， 当不同的物质吸收或放出相同热量时候，热容量越 大的物质，升、降温缓慢， 即温度变化小，反之亦然。
Question:土壤的热容量大小取决于什么？
当土壤水吸 力相同时，则 三种质地的含 水量差异很大。
水分特征曲线的用途：
首先，可利用它进行土壤水吸力和含水率之间的换算。 其次，土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙
大小的分布。 第三，水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持水性
和土壤水分的有效性。 第四，应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量
而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统所做的功。 正值。只有当土壤水分饱和时才有压力势； 在不饱和土壤中压力势为0。 饱和土层越深，压力势越高。 p=-gh
（4）重力势（g） 又称引力势，指由重力作用而引起的土水势变化。
任何时候重力势都存在。高于参比面时为正，反之 为负，参比面处重力势为0。
2、土壤水吸力
土水势（土壤中水的势能）ψw: 是指将单位水量从一个土 -水系统移到温度和它完全相同的纯水池所做的功。
纯水池：指没有土壤基质和溶质，且与土-水系统处于 相同大气压和同一高度的参比系统。
土水势其分势组成
分势
基质势ψm 溶质势ψs 压力势ψp 重力势ψg
（1）基质势（m） 是指将单位水量从一个土-水系统移到另一个没有土
分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数。
4、土壤水的调控
无效水 萎蔫系数 ～ 田间持水量 多余水 （下限） （上限） 土壤有效水
4.2 土壤空气
一、土壤空气的组成与变化
1、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）土壤空气中的水气含量一般高于大气 （4）土壤空气中含有较高量的还原性气体（CH4、H2S等） （5）土壤空气组成显然不是固定不变的
容积热容量 （Jcm-3℃-1）
2.163 2.410 2.435
— — 2.515 1.255×10-3 4.184
（3）土壤热容量的变化 土壤的热容量随着土壤水分含量增加而增加，随
着土壤空气含量增加而减少。
Question：潮湿粘重的土壤温度如何变化？ 干燥疏松的土壤温度如何变化？
Answer：潮湿粘重的土壤水多气少，热容量大，所以 温度变化小。 干燥疏松的土壤水少气多，热容量小，所以 温度变化大。
土壤饱和含水量：当重力水达到饱和, 即土壤所有孔隙都 充满水分时的含水量称为土壤全蓄水量或饱和持水量。
二、土壤水分含量的表示方法
1、质量含水量（rw）
r w = (m1-m2) × 1000
m2 rw: 土壤质量含水率 (g/kg) m1: 湿土质量 (g) m2: 干土质量 (g)
2、土壤容积含水量（Q，cm3/cm3 ） 土壤水分容积
壤基质，而其他状态完全相同的水池时所做的功。 负值，当土壤水饱和时最大＝0。 土壤含水量越高，基质势也越高。
（2）溶质势（s） 指将单位水量从一个土-水系统移到另一个没有溶质
而其他状态完全相同的水池时所做的功。 负值，土壤不含溶质时， s=0。 土壤溶质浓度越高，溶质势越低。
（3）压力势（p） 指将单位水量从一个土-水系统移到另一个压力不同，
Q=
土壤容积 Q = 土壤质量含水量×容重÷1000 ×100%
3、土壤相对水量
土壤质量含水量
土壤相对含水量 =
× 100
土壤田间持水量
4、水层厚度（mm)
土壤质量含水量×土壤容重×土层深度 水层厚度 =
1000
三、土壤水能态
土壤 A
砂土 10%
水
流
向
何
方
土壤
？
B 粘土
20%
1、土水势及其分势
毛 管 悬 着 水 示 意
地下水位
田间持水量： 毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持
水量，通常作为灌溉水量定额的最高指标。 土壤毛管水的有效性：
毛管水所受的毛管引力在0.625-0.01MPa，因此它 既能保持在土壤中，又可被作物吸收利用。
4、重力水
毛管水：指当土壤水分含量超过田间持水量之后,过量的 水分不能被毛管吸持, 而在重力的作用下沿着大空隙向 下渗漏成为多余的水。
3、土壤的导温率
土壤的导温率又称土壤热扩散 率是指在标准状况下，在土层垂直 方向上每厘米距离内，1J的温度梯 度下，每秒流入1cm2土壤断面面积 的热量，使单位体积（1cm3）土壤所 发生的温度变化。其大小等于土壤 导热率/容积热容量之比值。
D (厘米2 / 秒)
Cv
上式中:为土壤导热率， Cv为土壤容积热容量。
收＞支 土壤温度升高 收＜支 土壤温度降低 收＝支 土壤温度不变
Question：对于不同的物体，如果它们得到相同的热量， 温度升高的程度能一样吗？
Answer: 由于不同物体本身的热学性质不一样，在得热相 同的情况下，升温不一样。
因此，土壤温度的升高（降低）也受到土壤热学性质 的影响。
那么什么是土壤热学性质？
第四章 土壤水分、空气和热量
4.1 土壤水分
土壤水分
土壤及其肥 力的重要组 成部分之一
土壤内的 有机化合物 矿物风化 合成和分解
作物吸水的 主要来源
土壤的形成和作物生长
土壤水：是一种稀薄的溶液，存在于土粒的表面和土粒
间的孔隙中。
三种吸引力： 土粒的吸附 毛管引力 重力
一、土壤水分类型及有效性
1. 土壤水分类型
土壤水吸力：是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处 的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。
如土壤水吸力为1巴，我们对土壤施加大于1巴的吸 力，水就会流出来。
土壤水吸力应用简便，比较形象易懂。 结论：土壤水是由土壤水吸力低处流向水吸力高处。
3、土壤水分特征曲线
指土壤水分基质势或土壤水吸力与含水量的关系曲线。
（3）土壤导热率的变化
土壤的导热率随着土壤水分含量增加而增加， 随着土壤空气含量增加而减少。
Question: 潮湿粘重的土壤温度如何变化？ 干燥疏松的土壤温度如何变化？
Answer: 潮湿粘重的土壤水多气少，导热率大，所以 温度变化小。 干燥疏松的土壤水少气多，导热率小，所以 温度变化大。
解释现象：为什么赤道地区黑人一头卷发？
土壤的热学性质在农业生产上的应用：
常采用松土、镇压、灌溉等措施改 变土壤热容量和导热率，从而调节土壤 温度。
四、土壤热学性质
1、土壤热容量（Soil Thermal Capacity）
（1）定义
土壤热容量
指单位质量（土重壤量导）热或容率积的土壤每升高（或降 低） 1℃所需要（或放土出）壤的导热温量率。
C 代表质量（重量）热容量，单位是Jg-1℃-1。
Cv 代表容积热容量，单位是Jcm-3℃-1。
（2）热容量的物理意义
到 达 地 面
蒸 发 蒸 腾
长 波 净 辐 射
反射和散光
对 流 传 导
三、土壤热量平衡
Q=E（收入）-﹝Q1＋Q2＋Q3﹞（支出）
Q为用于土壤增温的热量 E为土壤表面获得的太阳辐射能 Q1为地表辐射所损失的热量 Q2为土壤水分蒸发所消耗的热量 Q3为其他方面消耗的热量
因此土壤温度的升高（或降低）受到土壤热量 平衡中的收与支的影响。
解释现象： 为什么浇水防霜冻?锄头底下有火？
2、导热率（Thermal Conductivity）
是评价土壤传导热量快慢的指标
（1）定义： 在单位厚度(1 cm)土层，温差为1℃时，每秒钟经单位断
面(1 cm2)通过的热量焦耳数()。其单位是J·cm-2·s-1·℃-1。
J s-1
1cm2
20 ℃
三、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气性
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、搁田等措施。
4.3 土壤热量与热学性质
土壤热量
土壤肥力
植物的生长 水分、空 微生物活动 气的运动
土壤中物理、 化学过程
固相 50% 矿物质45% 水20-30% 空气