土壤空气和热量状况
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第六章 土壤空气和热量状况
土壤通气性测定 土壤通气性造成的土壤剖面分异
第二节 土壤热状 况
一、土壤热量soil heat （一）土壤热量来源 太阳辐射、生物热、地球内热 （二）土壤热量消耗 土壤水分蒸发、给近地面空气升温、向地下传 递 热通量：单位面积单位时间内垂直通过的热量。 J/cm2.min
二、土壤热性质
土壤热性质包括土壤热容量、导热率和导温率，决定 着土壤热量和温度变化的程度、热量传导的速度和深度。 （一）土壤热容量soil heat capacity，分为质量热容量和容积 热容量 1、质量热容量mass heat capacity是指单位质量土壤的温度升高 1℃所需的热量（焦/克.度），也叫土壤比热 2、容积热容量volume heat capacity是指单位容积土壤的温度升 高1℃所需的热量（焦/厘米3.度） 土壤容积热容量=土壤重量热容量×容重 土壤矿物质的质量热容量为0.71-1.09焦/克.度,平均为0.84 水的热容量最大，容积热容量为空气的千倍 各种土壤组分的密度和热容量单位时间内，单位面积土壤上由土 壤扩散出来的CO2量。 2、氧气扩散率ODR(oxygen diffusion rate） 单位时间通过单位土壤截面扩散的氧的质量。 微克/厘米2.分钟
五、土壤通气性指标 3、土壤通气孔隙度soil air porosity 4、土壤氧化还原电位Eh 由土壤溶液中氧化态物质和还原态物质相 对比例变化而产生的电位。 Eh是土壤通气性指标。大于400mv为氧化 态，通气好。
O2(%) 20.94 18.0-20.03
CO2(%) 0.03 0.15-0.65
N2(%) 78.05 78.8-80.24
其他气体(%) 0.98 0.98
三、土壤空气的意义
1、土壤形成发育，二氧化碳溶于土壤溶液变为碳酸，使土壤中碳酸盐类 溶解，增加了土壤溶液中钙、镁、钾、钠、铁、锰，为植物增长提供了 养分，促进了他们的移动。 2、土壤空气影响着土壤微生物的活动，从而对土壤有机质的分解和植物 营养物质的转化及其生物有效性产生影响。 3、由于氧的作用，可氧化土壤中某些矿物，如硫铁矿变为溶解态的硫酸 铁，亚铁和亚锰变为高价铁锰化合物。 4、植物生长发育 植物从种子发芽到成熟都需要有足够的土壤空气，块茎类植物对土壤空 气要求高于一般植物，种子发芽需要土壤空气中氧的含量10%以上，低 于0.5%种子不发芽，对于ODR临界值要求15×18-8—25×18-8克/厘米2. 分的范围。
土壤水空气和热量之间的关系
土壤水空气和热量之间的关系分析土壤肥力要素水、气、热之间的关系。
由于土壤水分的重要作用，因此掌握土壤水的形态学观点和能量学观点。
土壤水的类型土壤学中的土壤水是指在一个大气压下，在105℃条件下能从土壤中分离出来的水分。
土壤中液态水数量最多，对植物的生长关系最为密切。
液态水类型的划分是根据水分受力的不同来划分的，这是水分研究的形态学观点。
这一观点在农业、水利、气象等学科和生产中广泛应用。
一、吸湿水土壤颗粒从空气中吸收的汽态水分子。
从室外取土，放在室内风干若干时间后，表面上看似乎干燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量会减轻；再放置到常温常压下，土壤重量又会增加，这表明土壤吸收了空气中的水汽分子。
土壤的吸湿性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般来说，土壤中吸湿水的多少，取决于土壤颗粒表面积大小和空气相对湿度。
由于这种作用的力非常大，最大可达一万个大气压，所以植物不能利用此水，称之为紧束缚水。
二、膜状水土粒吸足了吸湿水后，还有剩余的吸引力，可吸引一部分液态水成水膜状附着在土粒表面，这种水分称为膜状水。
重力不能使膜状水移动，但其自身可从水膜较厚处向水膜较薄处移动，植物可以利用此水。
但由于这种水的移动非常缓慢（0.2—0.4mm/d），不能及时供给植物生长需要，植物可利用的数量很少。
当植物发生永久萎蔫时，往往还有相当多的膜状水。
三、毛管水当把一个很细的管子（毛细管）插入水中后，水分可以上升的较高于水平面，并保持在毛细管中。
毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的液态水。
毛管水可以有毛管力小的方向移向毛管力大的方向，毛管力的大小可用Laplace公式计算：P = 2T/r式中的P为毛管力，T为水的表面张力，r为毛管半径。
根据毛管水是否与地下水相连，可分为2种类型：毛管悬着水：降水或灌溉后，由地表进入土壤被保存在土壤中的毛管水。
毛管上升水：或毛管支持水，土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水。
影响毛管上升水的因素：地下水水位和毛管孔隙状况毛管水上升高度用下式计算：H=75/d，d为土粒平均直径（上升高度与颗粒直径间关系见p142的附表）。
第四章土壤空气和热量
二、土壤通气性
• 土壤通气性泛指土壤空气与大气进行交换、 不同土层之间气体扩散或交换的能力。
（一）土壤通气性的重要意义
• 其重要性在于补充氧气。 • 如果没有大气氧气的补充，土壤中的氧气 将迅速被耗尽，缺氧将严重影响根系的正 常生长，影响好气微生物的活动，从而影 响土壤养分的有效化。一些有毒的还原性 物质的累积将毒害根系，严重时会使植物 死亡。 • 因此，土壤必须具有一定的通气性。
（二）土壤通气性的机制
1、气体扩散 指某种气体由于分压梯度而产生的移动。 这是土壤与大气进行气体交换的主要形式。 土壤呼吸: O2（大气） 土壤 CO2（土壤） 大气
2、气体整体流动
• 由于土壤空气与大气之间存在总压力梯度 而引起的气体运动，称为整体流动。 • 温度、气压、降水、灌溉水的挤压等都可 以引起气体的整体流动。
• R随时间而变（年、月、日、瞬间） • 当R为正值，地面辐射收入大于支出，地 面增温； • 当R为负值，地面辐射收入小于支出，地 面降温； • 一般白天R为正值，地面增温； • 夜间R为负值，地面降温。
（二）影响地面辐射平衡的因素
1、太阳辐射强度 ---太阳的总辐射强度取决于气候（天气）情 况。 ---晴天的辐射强度比阴天大； ---日照角越大，单位面积上接受的热量越多， 辐射强度越高（中午，垂直，最高） ---北半球的南坡，太阳入射角比平地大，土 温比平地高；南坡土温比北坡高。
四、土壤热性质
一、土壤热容量（C） 土壤热容量指单位质量或容积的土壤每升 高（或降低）1º C所需要（或放出）的热容 量。 C = Cv*ρ ρ:土壤容重
• 水的热容量最大（4.184）; • 气体的热容量最小(1.255*10-3); • 矿物质(2.163-2.435)和有机质(2.515)热 容量介于其中。 • 在固相组成物质中，腐殖质热容量大于 矿物质。 • 土壤热容量主要取决于水分含量的多少 和腐殖质含量。
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？
土壤空气、土壤热量及水气热调节
式中：E0：标准氧化还原电位，即体系中氧化剂与 还原剂浓度相等时的电位。
n：反应中电子转移数
39/42
氧化还原 状况
氧化
弱度还原
中度还原 强度还原
表2-20 土壤氧化还原状况分级
Eh范围
>400mV
400～ 200mV 200～100mV
<-100mV
化学反应
对作物生长的 影响
O2占优势，各物质以 旱作有利，水稻
2.5.2.2 土壤导热率（soil thermal conductivity）
土壤导热率是评价土壤传导热量快慢的指标，它 是指在面积为1m2、相距1m的两截面上温度相差1K度 时，每秒中所通过该单元土体的热量焦耳数。其单位 为：J·（m•K•s）-1。
土壤导热率的大小主要与土壤矿物质和土壤空气 有关。与土壤容重呈正相关，与土壤孔隙度呈负相关。
土壤
水分
4.187
4.187 0.0054-0.0059
矿质
土粒
1.930
0.712 0.0167-0.0209
土壤 有机质
2.512
1.930 0.0084-0.0126
导温率 (cm2 ·s-1) 0.1615-0.1923 0.0013-0.0014 0.0087-0.0108 0.0033-0.0050
2.6 土壤水、气、热的调节与氧化还原性 2.6.1 土壤水、气、热的调节 2.6.2 土壤氧化还原性质
30/42
2.6.1 土壤水、气、热的调节 2.6.1.1 土壤水分的调节 （1）土壤水分平衡 土壤水分的收入以降雨和灌溉水为主，此外还有 地下水的补给和其它来源的水（如水气凝结、外来径流 等）。 土壤水的支出主要有土表蒸发、植物蒸腾、向下 渗漏及地表径流损失等。
土壤空气、土壤热量及水气热调节
项目 对照 自然含水量 9.90
化肥 11.76
猪粪 15.08
秸秆 14.10
化肥+猪 粪
16.92
化肥+秸 秆
15.71
田间持水量 25.00 28.40 30.98 29.12 31.23 31.41
饱和含水量 35.18 35.10 39.23 36.90 40.71 40.68
34/42
2.6.1.2 土壤空气调节
对于粘质土壤的通气不良可采取合理耕作结合增 施有机肥料，以改善土壤结构、增加土壤通气孔隙。
对于地势低洼、地下水位高的易涝地区的土壤通 气不良应加强土壤水分管理，建立完整的排水系统，降 低地下水位，及时排除渍涝。
对于因降（灌）水量大而造成的土壤过湿、表土 板结而影响通气的，应及时中耕、松土，破除地结皮等， 土壤通气性就会大大改善。
K =λ /Cv
式中：K为土壤导温率；
λ 为导热率；
Cv为土壤容积热容量。
26/42
27/42
土壤组成与土壤的热特性
重量
导热率
土壤组 成分
容积热容量 （J·cm-3·K-1)
热容量 (J·g-1·K-1)
（J·cm-1·s-1·K-1)
土壤
空气
0.0013
1.00 0.00021-0.00025
28/42
2.5.3 土壤温度与作物生长 2.5.3.1 土壤温度与种子萌发 2.5.3.2 土壤温度与作物根系生长 2.5.3.3 土壤温度与作物营养生长和生殖生长 2.5.3.4 土壤温度影响养分转化与吸收 此外，土壤有机质的转化、养分的释放以及土壤 中水、气的运动等也都受到土壤温度的影响。
29/42
2.6 土壤水、气、热的调节与氧化还原性 2.6.1 土壤水、气、热的调节 2.6.2 土壤氧化还原性质
第五章 土壤空气与热状况
4、对土壤热特性的影响因素：固、液、气三相物质比例 由下表可见，土壤水分热容量最大，土壤空气最小，而 矿质土粒和土壤有机质介于两者之间，而固体是相对稳 定的，则主要取决于土壤水分和土壤空气的含量。 所以，粘土：水分含量较高，早春季节解冻迟，土壤回 升慢，为冷性土； 砂土：水分含量低，早春土温回升快，为热性土。
三、土壤通气性（soil aeration） 土壤通气性（土壤透气性）：指土壤空气与近地层大气进行气
体交换以及土体内部允许气体扩散和流动的性能。
土壤通气性影响多种生物的生命活动，各种有机物质转化的化
学过程，根际呼吸，种子萌发，土壤病虫害的发生。
土壤通气产生的机制：
（一）、土壤空气扩散（Soil air diffusion） 指某种气体成分由于分压梯度与大气不同而产生的移动。它是 土壤空气与大气间进行交换的主要因素，原理服从气体扩散 公式： F＝－D· dc/dx F：单位时间气体扩散通过单位面积的数量； Dc/dx：气体浓度梯度或气体分压梯度； D：扩散系数，负号表示其从气体分压高向低扩散。
2、土壤水分调节：
减少土壤水分的损失；增加作物对降雨，灌溉水及土壤中 原有贮水的有效利用，同时包括对多余水分的排除等， 措施如下： （1）控制地表径流，增加土壤水分入渗；
合理耕翻：创造疏松的耕作层，保持土壤适当的透水性 以吸收更多的降雨和减少地表径流损失。 等高种植，建立水平梯田：改造地形，平整土地，减少 水土流失，梯田层层蓄水，坎地节节拦蓄 改良表土质地结构：增加土壤孔隙度，使蓄墒能力增强。
第二节
一、土壤热来源与平衡
土壤热状况
（一）土壤热来源
1、太阳辐射（solar radiation） 与所处的纬度有关，随纬度的提高，接受辐射减少；
土壤肥料学第三章.
根据埋藏条件，分为三类：
上层滞水：由于局部的隔水作用，使下渗的大气降
水停留在浅层的岩石裂缝或沉积层中形成的蓄水体。
潜水：埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下 水，通常所见到的地下水多半是潜水。 自流水：埋藏较深的、流动于两个隔水层之间的地 下水。
（二）土壤水分对作物生长的有效性
土壤水分有效性：植物利用土壤水的难易程度
第三章 土壤水分、空气、 热量状况
第一节 土壤水分
一、土壤水分的存在形态与有效性 土壤水：存在于土粒表面和土粒间孔 隙中的水。即105-110℃下从土壤中驱 逐出来的水分，不包括化合水和结晶 水。 三种形态：固态、液态和气态。
水分保持力：
土粒和水界面上的吸附力：范德花力和静 电引力
水和空气界面上的弯月面力：
吸 湿 系 数
凋 萎 系 数
最 大 分 子 持 水 量
毛 管 断 裂 含 水 量
田 间 持 水 量
毛 管 持 水 量
饱 和 持 水 量
吸湿水 膜状水
毛管悬着水 毛管上升水
重力水
无效水
有效水
多余水 （旱地）
图3-4 土壤保持水分能量、水分常数与水分有效性的关系
表3-3 土壤质地与有效水最大含量的关系
膜状水示意图
根毛
土粒
土粒
土粒
rd D
土粒
图3-3 膜状水移动示意图
3.毛管水（capillary water）
概念：靠毛管力作用而保持和运动的土壤液态水。
毛管水受到吸力6.25-0.1个大气压，可被植物吸收
利用。
拉普拉斯(Laplace)公式： P=2T/R P—毛管力；T—表面张力；R—毛管半径
吸湿水受到束缚力，10000-31个大气压，植物吸水15-16大 气压，不能被植物利用。
上层滞水：由于局部的隔水作用，使下渗的大气降
水停留在浅层的岩石裂缝或沉积层中形成的蓄水体。
潜水：埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下 水，通常所见到的地下水多半是潜水。 自流水：埋藏较深的、流动于两个隔水层之间的地 下水。
（二）土壤水分对作物生长的有效性
土壤水分有效性：植物利用土壤水的难易程度
第三章 土壤水分、空气、 热量状况
第一节 土壤水分
一、土壤水分的存在形态与有效性 土壤水：存在于土粒表面和土粒间孔 隙中的水。即105-110℃下从土壤中驱 逐出来的水分，不包括化合水和结晶 水。 三种形态：固态、液态和气态。
水分保持力：
土粒和水界面上的吸附力：范德花力和静 电引力
水和空气界面上的弯月面力：
吸 湿 系 数
凋 萎 系 数
最 大 分 子 持 水 量
毛 管 断 裂 含 水 量
田 间 持 水 量
毛 管 持 水 量
饱 和 持 水 量
吸湿水 膜状水
毛管悬着水 毛管上升水
重力水
无效水
有效水
多余水 （旱地）
图3-4 土壤保持水分能量、水分常数与水分有效性的关系
表3-3 土壤质地与有效水最大含量的关系
膜状水示意图
根毛
土粒
土粒
土粒
rd D
土粒
图3-3 膜状水移动示意图
3.毛管水（capillary water）
概念：靠毛管力作用而保持和运动的土壤液态水。
毛管水受到吸力6.25-0.1个大气压，可被植物吸收
利用。
拉普拉斯(Laplace)公式： P=2T/R P—毛管力；T—表面张力；R—毛管半径
吸湿水受到束缚力，10000-31个大气压，植物吸水15-16大 气压，不能被植物利用。