第六章 土壤空气和热量
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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。
第六章土壤
永恒的物质与能量交换． 最活跃与最富生命力的圈层。它对各种物质循 环与物质流起作维持、调节和控制作用，土壤肥 力是土壤圈层所固有的性质. 具记忆块的功能．通过这些记忆信息，有助于 区别过去和现在的土壤变化，并可对”土壤圈"未 来变化进行预测．
具时空限制特征．土壤时间尺度表现在土壤形成 过程．演变与机理的变化上，这些变化时间，一 般是103—106年。
1.土壤机械组成（质地）
土壤是由许多大小不同的土粒、按不同的比例组 合而成的，这些不同的粒级混合在一起表现出来的 土壤粗细状况，称为土壤质地，亦称土壤机械组成。
土壤质地影响土壤水分、空气和热量的状况，同 时影响着养分的转化。
土壤质地影响着土壤结构类型。粘粒含量高的 土壤易形成水稳性团聚体和裂隙，细砂或极细 砂比例大的土壤只能形成不稳定的结构，粗砂 土则无法团聚。
4.土壤空气
土壤空气是指土壤空隙中存在的各种气体混合物。
土壤空气的来源和组成:土壤空气来自大气。其 组成与大气基本相似，以O2、 N2 、CO2 、H2O （g）为主要成分。但在质和量上与大气有所不 同。由于土壤生物生命活动的影响，二氧化碳 比大气中含量高，而氧含量比大气的低。
土壤的通气性:土壤空气与大气间的气体交换， 以及土体内部允许气体扩散和流通的性能，称 为土壤通气性。
Michigan Soil Florida soils
Maryland Soil Florida soils
耕作土壤剖面
耕作层 犁底层 心土层 底土层
2.土壤的一般形态特征
1、土壤的颜色 2、土壤质地 3、土壤结构 4、土壤松紧度 5、土壤孔隙状况 6、土壤干湿度 7、新生体 8、侵入体
土壤的基本属性和本质特性是具有肥力。 土壤肥力是指土壤为植物生长不断地供应和协调养
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
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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。
第六章土壤圈
土壤从地表垂直向下可划分为六个土壤发生层。 1）有机层
指未分解和部分分解的枯枝落叶层。 2）腐殖质层
指腐殖质化所形成的有机层。
3）淋溶层 4）淀积层 5）母质层 6）母岩层
2、土壤的一般形态特征
1）土壤颜色
土壤颜色是土壤重要的形态特征之一。采用芒塞尔土 色卡测定和描述土壤颜色。
2）土壤质地
指土壤颗粒的大小、粗细及其匹配状况。一般土壤质 地分砂土、壤土和粘土三大类。准确的测定要在室内用机 械分析方法来进行，但在野外常根据用手指研磨土壤的感 觉近似的判断。
3）土壤结构
指土壤颗粒间的胶结接触关系，有团粒结构、块状结 构、核状结构、柱状结构、棱柱状结构、片状结构等。
4）土壤松紧度
指土壤坚实或疏松的程度，一般用小刀插入土中所用 力大小来衡量，分为紧实、稍紧实、疏松等。
5）土壤孔隙 指土壤颗粒之间存在的空间。
6）土壤干湿度 指土壤干湿程度，反映土壤水分含量多少。野外考
2）次生矿物 原生矿物经过化学分化后重新形成的新矿物，其
化学组成和构造经过改变而与原生矿物有所不同。它 是土壤中最细小的部分，具有胶体性质。
2、土壤有机质 1）概念 指土壤中动植物残体、微生物及其分解和合成的物 质。它包括非特殊性有机质以及土壤腐殖质两大类。
2）土壤有机质的转化过程 土壤有机质的转化基本上有两个过程。
凝结，主要损耗于蒸散植物吸收、渗漏与径流。
3）类型 吸湿水：指土壤颗粒表面张力所吸附的水分子。
毛管水：指毛管空隙中毛管力吸附保存的水。
重力水：指土壤水分含量超过田间持水量时沿土壤
非毛管孔隙向下移动的多余水分。
4、土壤空气 土壤空气Hale Waihona Puke 指土壤孔隙中存在的各种气体的混合物。
指未分解和部分分解的枯枝落叶层。 2）腐殖质层
指腐殖质化所形成的有机层。
3）淋溶层 4）淀积层 5）母质层 6）母岩层
2、土壤的一般形态特征
1）土壤颜色
土壤颜色是土壤重要的形态特征之一。采用芒塞尔土 色卡测定和描述土壤颜色。
2）土壤质地
指土壤颗粒的大小、粗细及其匹配状况。一般土壤质 地分砂土、壤土和粘土三大类。准确的测定要在室内用机 械分析方法来进行，但在野外常根据用手指研磨土壤的感 觉近似的判断。
3）土壤结构
指土壤颗粒间的胶结接触关系，有团粒结构、块状结 构、核状结构、柱状结构、棱柱状结构、片状结构等。
4）土壤松紧度
指土壤坚实或疏松的程度，一般用小刀插入土中所用 力大小来衡量，分为紧实、稍紧实、疏松等。
5）土壤孔隙 指土壤颗粒之间存在的空间。
6）土壤干湿度 指土壤干湿程度，反映土壤水分含量多少。野外考
2）次生矿物 原生矿物经过化学分化后重新形成的新矿物，其
化学组成和构造经过改变而与原生矿物有所不同。它 是土壤中最细小的部分，具有胶体性质。
2、土壤有机质 1）概念 指土壤中动植物残体、微生物及其分解和合成的物 质。它包括非特殊性有机质以及土壤腐殖质两大类。
2）土壤有机质的转化过程 土壤有机质的转化基本上有两个过程。
凝结，主要损耗于蒸散植物吸收、渗漏与径流。
3）类型 吸湿水：指土壤颗粒表面张力所吸附的水分子。
毛管水：指毛管空隙中毛管力吸附保存的水。
重力水：指土壤水分含量超过田间持水量时沿土壤
非毛管孔隙向下移动的多余水分。
4、土壤空气 土壤空气Hale Waihona Puke 指土壤孔隙中存在的各种气体的混合物。
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。
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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
土壤学 第6章土壤空气和热量状况
1、土壤热量的来源。 2、土温的变化规律。
难点：
气体的扩散，辐射平衡，热状况的调节。
本章内容
第一节 土壤空气 第二节 土壤热量 第三节 土壤热性质 第四节 土壤温度
第一节 土壤空气 soil air
土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、生物 化学和纯化学过程产生的气体。故土壤空气与大气的基 本组成相近，但由于土壤多相体系的特点，因而也存在 差异，显示其自身的特点。
支出的长波辐射（E）— 收入的长波辐 射 (G)
R=(I＋H)(1－α)－r
地面的热量平衡（北半球）
（二）影响因素
1. 太阳的辐射强度
地表
表面类型
反照率 %
雪 2
75-90
.
地
水
3-10
面 湿的深色粘土 2-8
的 干的深色粘土 16
反 照
湿的砂土
9
率 干的砂土
18
(albedo)
裸地
12-25
1. 土壤热容量（Heat capacity of soil） 比热（C）（specific heat )：单位重量的 土壤每升高（或降低） 1℃所需的热量。 容积热容量（Cv）（volumetric heat capacity）：单位容积的土壤每升高（或 降低） 1℃所需的热量。 Cv = Db×C
• 土壤通气量（soil air flux）：单位时间内单位 压力下，进入单位体积土壤中气体的总量（ml cm-3 s-1）.
• 充气孔隙度（air-filled capacity）：
fa = 总孔隙度－体积含水量
• 氧化还原电位（redox potential）
R
Eh
E0
RT nF
难点：
气体的扩散，辐射平衡，热状况的调节。
本章内容
第一节 土壤空气 第二节 土壤热量 第三节 土壤热性质 第四节 土壤温度
第一节 土壤空气 soil air
土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、生物 化学和纯化学过程产生的气体。故土壤空气与大气的基 本组成相近，但由于土壤多相体系的特点，因而也存在 差异，显示其自身的特点。
支出的长波辐射（E）— 收入的长波辐 射 (G)
R=(I＋H)(1－α)－r
地面的热量平衡（北半球）
（二）影响因素
1. 太阳的辐射强度
地表
表面类型
反照率 %
雪 2
75-90
.
地
水
3-10
面 湿的深色粘土 2-8
的 干的深色粘土 16
反 照
湿的砂土
9
率 干的砂土
18
(albedo)
裸地
12-25
1. 土壤热容量（Heat capacity of soil） 比热（C）（specific heat )：单位重量的 土壤每升高（或降低） 1℃所需的热量。 容积热容量（Cv）（volumetric heat capacity）：单位容积的土壤每升高（或 降低） 1℃所需的热量。 Cv = Db×C
• 土壤通气量（soil air flux）：单位时间内单位 压力下，进入单位体积土壤中气体的总量（ml cm-3 s-1）.
• 充气孔隙度（air-filled capacity）：
fa = 总孔隙度－体积含水量
• 氧化还原电位（redox potential）
R
Eh
E0
RT nF
土壤水分、空气、热量(1)
害、渍害。因此必须排除土壤多余的水分，主要包括排除地表 积水、降低过高的地下水和除去土壤上层滞水。
2.土壤空气调节
• 对于一般旱作来说，发生通气不良、供氧不足的情况 很少。土壤通气不良主要发生在那些质地粘重、通气 孔隙度不足10％、气体交换缓慢的粘质土壤上。对于 此类土壤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。土体中水分过多不仅 空气容量减少，而且阻碍土壤空气与大气的气体交换， 这是地势低洼、地下水位高的易涝地区土壤通气性差 的主要原因，对此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。至于那些 主要是由降(灌)水量大而造成的土壤过湿、表土板结而 影响通气的，则应及时中耕、松土，破除地结皮等， 土壤通气性就会大大改善。
壤水的收人大于支出，则土壤水分含量增加；反之，土壤水的支出
大于收入，则土壤水分含量降低。在农业生产实践中，土壤水分平 衡的作用主要表现为：
①计算作物日耗水量 例如，某玉米地在6月15日灌水前根层土壤 含水量厚度为70mm，然后灌水55mm。6月25日测定同一根层的含 水量厚度为81mm，假设灌水后的这段时间内无降雨过程，也没有 土壤水分的深层渗漏，则在此期间玉米的日耗水量为：
• （1）土水势 • （2）土壤水吸力 • （3）土壤水分特征曲线
（1）土水势 土水势(soil water potential)表示土壤水分在土—水平衡体系 中所具有的能态。通常用水势(ψw)表示。由于土壤水分受到各 种吸力的作用，有时还存在附加压力，所以其水势必然与参 比系统不同，两者之差为土水势的量度。通常规定纯水池参 比系统的水势能为零，因此，土水势一般为负值，它主要由 以下几个分势组成。 基质势(matric potential) 通常用ψm表示。对于非饱和土壤 而言，由于基质吸力对水分的吸持，完成这一过程需要环境 对它做功，所以基质势为负值；而饱和的土壤水不受基质吸 持，故其基质势为零。
2.土壤空气调节
• 对于一般旱作来说，发生通气不良、供氧不足的情况 很少。土壤通气不良主要发生在那些质地粘重、通气 孔隙度不足10％、气体交换缓慢的粘质土壤上。对于 此类土壤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。土体中水分过多不仅 空气容量减少，而且阻碍土壤空气与大气的气体交换， 这是地势低洼、地下水位高的易涝地区土壤通气性差 的主要原因，对此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。至于那些 主要是由降(灌)水量大而造成的土壤过湿、表土板结而 影响通气的，则应及时中耕、松土，破除地结皮等， 土壤通气性就会大大改善。
壤水的收人大于支出，则土壤水分含量增加；反之，土壤水的支出
大于收入，则土壤水分含量降低。在农业生产实践中，土壤水分平 衡的作用主要表现为：
①计算作物日耗水量 例如，某玉米地在6月15日灌水前根层土壤 含水量厚度为70mm，然后灌水55mm。6月25日测定同一根层的含 水量厚度为81mm，假设灌水后的这段时间内无降雨过程，也没有 土壤水分的深层渗漏，则在此期间玉米的日耗水量为：
• （1）土水势 • （2）土壤水吸力 • （3）土壤水分特征曲线
（1）土水势 土水势(soil water potential)表示土壤水分在土—水平衡体系 中所具有的能态。通常用水势(ψw)表示。由于土壤水分受到各 种吸力的作用，有时还存在附加压力，所以其水势必然与参 比系统不同，两者之差为土水势的量度。通常规定纯水池参 比系统的水势能为零，因此，土水势一般为负值，它主要由 以下几个分势组成。 基质势(matric potential) 通常用ψm表示。对于非饱和土壤 而言，由于基质吸力对水分的吸持，完成这一过程需要环境 对它做功，所以基质势为负值；而饱和的土壤水不受基质吸 持，故其基质势为零。
第六章 土壤水分空气和热量状况1 ppt课件
2020/12/27
2
一、土壤水分的保持和类型 1. 土壤水的保持
水分进入土壤后，受三种力的作用被保持在土壤中： 一是土粒和水界面上的吸附力 二是水和空气界面上的弯月面力 三是地心引力（重力）
➢土粒和水界面上的吸附力由两种力所组成：
一是水分子与土粒间的分子吸力：包括固相表面剩余表面能对邻近 水分子的作用、范德华力、氢键。
二是胶体表面对极性水分子的静电引力。
两种力作用的结果，使水分子牢固地被吸附在土壤颗粒的表面上。
2020/12/27
3
➢水和空气界面上的弯月面力
水进入土壤，土粒对水分子的吸附力超过水分子之间的吸力，因
而在土粒构成的毛管孔隙中形成凹形弯月面，弯月面使液面产生压力 差，形成弯月面力。弯月面力（T）的大小与曲率半径（R）和水的表 面张力（δ）及湿润角（α）的关系是：
土壤吸湿水所受吸力？
HH
H
土H H
H
பைடு நூலகம்
HH
H H
HH
粒 HH
H
H
H
H
H
H
最大吸湿量
109 Pa (1万大气压)
3106 Pa (31大气压)
影响吸湿水的数量的因素：
质地比表面
有机质数量
沙土
0.5~10g·kg-1 (0.5-1%)
壤土 20~50g·kg-1 (2-5%)
粘土
50~65g·kg-1 (5-6.6%)
蔫湿度、临界水分）。
8
表61 各种作物的土壤萎蔫含水量(g·kg-1)
粗砂土 细砂土 砂质壤土 壤土 粘壤土
水稻
9.6
27
小麦
8.8
33
玉米 10.7
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（3）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；
（4）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。
三、土壤的热量平衡
土壤热量收支平衡可用下式表示： S = Q P LE + 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。
气体扩散是指气体分子由浓度大（或分压大）处向浓度 小（或分压小）处的运动，它是由气体分子的热运动（或称 布朗运动）引起的 土壤中气体扩散过程也可用Fick第一定律表示。
q
Ds
dc dx
式中：q表示体积扩散通量[LT-1]
（4.10）
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]
课时安排与进度： 课时数：2课时
第六章 土壤空气和热量
第一节
土壤空气
一 土壤空气的组成 二 土壤空气的运动 三 土壤空气与土壤肥力
第六章 土壤空气和热量 §1 土壤空气的组成与植物生长 一、土壤空气的组成与变化 土壤空气与大气组成的比较（容积%）
气体
O2
近地面 的大气
土壤 空气
20.94
18.020.03
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。( )
导热率:heat conductivity,thermal conductivity
在单位厚度（1厘米）土层，温差为1℃时，每秒 钟经单位断面（1厘米2）通过的热量焦耳数（）。 其单位是J.cm-2.s-1.℃-1。
二、 土壤中的空气流
（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。
P / t 2 / x 2
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。
（二）、土壤空气扩散扩散（soil air diffusion)
表6-1 不同土壤组分的热容量 6－3 土壤不同组分的热容量
土壤组成物质
粗石英砂 高岭石 石灰
Fe2O3 Al2O3 腐殖质 土壤空气 土壤水分
重量热容量
（Jg-1c-1）
0.745 0.975 0.895 0.682 0.908 1.996 1.004 4.184
容积热容量
(Jcm-3c-1)
2.163 2.410 2.435
－ － 2.515 1.255×10-3 4.184
要注意C和CV之间的换算，对于均质的土壤而言∶
CV= r·C
(1)
有些书上用
CV=р·C
(2)
来表示是不正确的，р表示土壤容重， 应用下式表示
C=CsMs + CwMw + CaMa
(3)
式中Cs, Cw, Ca分别表示土壤固相、液相和气相的质量热 容量；Ms, Mw, Ma分别表示单位质量土壤中固相、液相和气 相所占的质量(比例）。 如果用容积热容量表示
（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。
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 ( )。
覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%)
深度
/cm
0 5 10 15 20 30 50 平均
覆膜
露地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
－
－ 0.915 －
－ 0.056 0.056 －
0.158 20.497 1.006 20.439 0.70 20.649 0.211 20.653
Cv=CvsVs + CvwVw + CvaVa
(4)
式中Vs, Vw, Va分别表示单位容积土壤中固相、液相和气 相所占的比例，Cvs, Cvw, Cva分别表示土壤中固相、液相和气 相的容积热容量（比例）。
在式(4)中，由于气体的热容量Cv很小，相对可以忽略， 于是式(4)可写成∶
CV=Cvs·Vs +Cvw ·Vw
2、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、含水状况，植被及其他覆盖物等都影响反射率。
3、地面有效辐射
影响地面有效辐射的因子有：
（1）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；
（2）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；
K(m/s)
-9.8
40.24
14.06
12
-98
25.47
28.83
133
-310
23.0731.23272－054.30
682
三、 土壤通气性(soil aeration)
（一）、土壤通气性的定义和指标
土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土 体内部允许气体扩散和通气的能力。
1．静态指标
（1）容积分数或充气孔隙度
CO2
0.03
0.150.65
N2 78.05
其他气 体
0.95
78.8-
－
80.24
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。
0.420 20.397 1.060 20.275 0.104 20.513 0.279 20.668
0.250 20.486 0.865 19.953 0.134 20.857 0.385 20.506
0.483 20.478 1.348 20.060 0.150 20.121 0.406 20.634
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19~22%之间，
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（Cv）可用下式表示：
Cv = mCv·Vm + oCv·Vo ＋ wCv·Vw+aCv·Va (6－7)
因空气的热容量很小，可忽容不计，故土壤热容量可简化为：
Cv = 1.9Vm + 2.5Vo + 4.2Vw (Jcm-3 C-1)
(6－8)
Cv=0.85ρ+ 4.18·θv
(9)
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。
二、土壤导热率
导热性:
土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为 导热性。导热性大小用导热率表示。
注意：
①土壤空气对植物生长的影响，有许多过程和因素需进 一步研究。如土壤微生物需O2有一个很宽的范围。 ②仅仅一个空气容量指标并不能肯定土壤是否能满足植 物和微生物对氧的需求。
③土壤中CO2浓度对植物生长的影响也有待进一步研究。 现有的研究表明，某一特定植物对CO2浓度有一最佳值, 过高或过低都会引起根系生长衰退。过高浓度CO2往往 伴随缺O2而造成不良后果，但一定浓度CO2对植物生长 也有促进作用，而且CO2造成的土壤溶液的微酸性也有 利于有些土壤养分的释放.
(5)
在式(5)中，Vw=θv(土壤容积含水量)，根据式(1)
Cvs= rs·Cs
(6)
rs=MS/VS= ρ/VS
Vs= ρ /rs
(7)
将(6)、(7)代入式(5)得
Cv=ρCs + Cvw·θv
(8)
一般情况下，水的热容量可以4.18J.cm3/℃，当有机质含量不 高时，固相物质的质量热容量可以近似取0.85J/g/℃，则式(8) 可变为∶
当太阳辐射通过大气层时， 其热量一部分被大气吸收散 射，一部分被云层和地面反 射，土壤吸收其中的一少部 分。
（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6.28×109～6.99×109KJ，相
当于20～50吨无烟煤的热量。
（三）地球内热
二、土壤表面的辐射平衡及影响因素
（一）地面辐射平衡
若用扩散气体的分压(P)代替浓度，方程为：
q
(Ds
/
)
dP dx
（4.11）
式中表示浓度与分压的换算常数（比值
（4）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。
三、土壤的热量平衡
土壤热量收支平衡可用下式表示： S = Q P LE + 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。
气体扩散是指气体分子由浓度大（或分压大）处向浓度 小（或分压小）处的运动，它是由气体分子的热运动（或称 布朗运动）引起的 土壤中气体扩散过程也可用Fick第一定律表示。
q
Ds
dc dx
式中：q表示体积扩散通量[LT-1]
（4.10）
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]
课时安排与进度： 课时数：2课时
第六章 土壤空气和热量
第一节
土壤空气
一 土壤空气的组成 二 土壤空气的运动 三 土壤空气与土壤肥力
第六章 土壤空气和热量 §1 土壤空气的组成与植物生长 一、土壤空气的组成与变化 土壤空气与大气组成的比较（容积%）
气体
O2
近地面 的大气
土壤 空气
20.94
18.020.03
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。( )
导热率:heat conductivity,thermal conductivity
在单位厚度（1厘米）土层，温差为1℃时，每秒 钟经单位断面（1厘米2）通过的热量焦耳数（）。 其单位是J.cm-2.s-1.℃-1。
二、 土壤中的空气流
（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。
P / t 2 / x 2
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。
（二）、土壤空气扩散扩散（soil air diffusion)
表6-1 不同土壤组分的热容量 6－3 土壤不同组分的热容量
土壤组成物质
粗石英砂 高岭石 石灰
Fe2O3 Al2O3 腐殖质 土壤空气 土壤水分
重量热容量
（Jg-1c-1）
0.745 0.975 0.895 0.682 0.908 1.996 1.004 4.184
容积热容量
(Jcm-3c-1)
2.163 2.410 2.435
－ － 2.515 1.255×10-3 4.184
要注意C和CV之间的换算，对于均质的土壤而言∶
CV= r·C
(1)
有些书上用
CV=р·C
(2)
来表示是不正确的，р表示土壤容重， 应用下式表示
C=CsMs + CwMw + CaMa
(3)
式中Cs, Cw, Ca分别表示土壤固相、液相和气相的质量热 容量；Ms, Mw, Ma分别表示单位质量土壤中固相、液相和气 相所占的质量(比例）。 如果用容积热容量表示
（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。
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 ( )。
覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%)
深度
/cm
0 5 10 15 20 30 50 平均
覆膜
露地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
－
－ 0.915 －
－ 0.056 0.056 －
0.158 20.497 1.006 20.439 0.70 20.649 0.211 20.653
Cv=CvsVs + CvwVw + CvaVa
(4)
式中Vs, Vw, Va分别表示单位容积土壤中固相、液相和气 相所占的比例，Cvs, Cvw, Cva分别表示土壤中固相、液相和气 相的容积热容量（比例）。
在式(4)中，由于气体的热容量Cv很小，相对可以忽略， 于是式(4)可写成∶
CV=Cvs·Vs +Cvw ·Vw
2、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、含水状况，植被及其他覆盖物等都影响反射率。
3、地面有效辐射
影响地面有效辐射的因子有：
（1）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；
（2）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；
K(m/s)
-9.8
40.24
14.06
12
-98
25.47
28.83
133
-310
23.0731.23272－054.30
682
三、 土壤通气性(soil aeration)
（一）、土壤通气性的定义和指标
土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土 体内部允许气体扩散和通气的能力。
1．静态指标
（1）容积分数或充气孔隙度
CO2
0.03
0.150.65
N2 78.05
其他气 体
0.95
78.8-
－
80.24
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。
0.420 20.397 1.060 20.275 0.104 20.513 0.279 20.668
0.250 20.486 0.865 19.953 0.134 20.857 0.385 20.506
0.483 20.478 1.348 20.060 0.150 20.121 0.406 20.634
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19~22%之间，
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（Cv）可用下式表示：
Cv = mCv·Vm + oCv·Vo ＋ wCv·Vw+aCv·Va (6－7)
因空气的热容量很小，可忽容不计，故土壤热容量可简化为：
Cv = 1.9Vm + 2.5Vo + 4.2Vw (Jcm-3 C-1)
(6－8)
Cv=0.85ρ+ 4.18·θv
(9)
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。
二、土壤导热率
导热性:
土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为 导热性。导热性大小用导热率表示。
注意：
①土壤空气对植物生长的影响，有许多过程和因素需进 一步研究。如土壤微生物需O2有一个很宽的范围。 ②仅仅一个空气容量指标并不能肯定土壤是否能满足植 物和微生物对氧的需求。
③土壤中CO2浓度对植物生长的影响也有待进一步研究。 现有的研究表明，某一特定植物对CO2浓度有一最佳值, 过高或过低都会引起根系生长衰退。过高浓度CO2往往 伴随缺O2而造成不良后果，但一定浓度CO2对植物生长 也有促进作用，而且CO2造成的土壤溶液的微酸性也有 利于有些土壤养分的释放.
(5)
在式(5)中，Vw=θv(土壤容积含水量)，根据式(1)
Cvs= rs·Cs
(6)
rs=MS/VS= ρ/VS
Vs= ρ /rs
(7)
将(6)、(7)代入式(5)得
Cv=ρCs + Cvw·θv
(8)
一般情况下，水的热容量可以4.18J.cm3/℃，当有机质含量不 高时，固相物质的质量热容量可以近似取0.85J/g/℃，则式(8) 可变为∶
当太阳辐射通过大气层时， 其热量一部分被大气吸收散 射，一部分被云层和地面反 射，土壤吸收其中的一少部 分。
（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6.28×109～6.99×109KJ，相
当于20～50吨无烟煤的热量。
（三）地球内热
二、土壤表面的辐射平衡及影响因素
（一）地面辐射平衡
若用扩散气体的分压(P)代替浓度，方程为：
q
(Ds
/
)
dP dx
（4.11）
式中表示浓度与分压的换算常数（比值