土壤水分、空气和热量第五次课
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第五章 土壤空气与土壤热状况
（二）合理灌排,控制水分,调节气热
(一)合理灌溉,节约用水 (二)排除积水、通气增温 (三)通过灌排、通气调温
（三）精耕细作,蓄水保墒,通气调温
耕作不仅可以蓄水保墒,而且可以改善 土壤的通气性和温热状况。经常采用的 耕作措施有: 中耕 深翻 镇压
（四）降低土表蒸发,调节土壤 水气热状况
露水的形成
老师：露水是怎样形成的？并说出理由来。
学生回答到：
地球旋转不停，热得出汗，这就
是露水。
露水的形成
晴朗无云的夜间，地面热量散失很快，地 面气温迅速下降。温度降低，空气含水汽的能 力减小，大气低层的水汽就附在草上、树叶上 等，并凝成细小的水珠，即露水。 增加近地面空气的温度，又使水汽扩散， 露水也很难形成。 露水对农作物很有好处， 露水像雨一样，能滋润土壤起到帮助植物生长 的作用。
三 土壤通气状况与作物生长
(一)影响根系发育
大多数作物在通气良好的土壤中,根系 长、颜色浅、根毛多;缺O2土壤中的根系 则短而粗,颜色暗,根毛大量减少。 根系生长需要氧：氧浓度<9~10%，生 长受阻；<5%时，发育停止。
(二)影响根系吸收功能
通气不良时,根系呼吸作用减弱,吸收养 分和水分的功能降低,特别是抑制对K的 吸收,依次为Ca、Mg、N、P等。
2、土壤空气O2含量
比大气低，主要是因为根系和微生物 的呼吸作用需要消耗O2，OM的分解也会 消耗掉O2。
3、土壤空气相对湿度
比大气高。除表层干燥土壤外，土壤 空气湿度一般都在99%以上，处于水汽 饱和状态，而大气只有在多雨季节才接 近饱和。
4、还原性气体
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？
第四章(2) 土壤水、气、热
湿土重 = 237.4-93.4 = 144 g 烘干土重 = 213.4-93.4=120 g 容重=烘干土重/土壤体积 =120/100=1.20 含水量=水分重/烘干土重 =(144-120)/120 =200 g/kg
22
四、土壤水分含量的测定
烘干法：经典、准确，标准方法
中子法
TDR法（时域反射仪）：电磁测量方法，依据土 壤的介电性质。具有直接、快速、方便的特 点，并可同时测定土壤含盐量。
含水量与水吸力呈负相关 同一含水水量时，吸力：粘土>壤土>砂土 同一水吸力时，含水量：粘土>壤土>砂土
31
水分特征曲线的作用：
吸力与含水量换算 反映土壤持水、供水性能 计算当量孔径，反映土壤中大小孔隙的分布 土壤水分运动参数计算
32
5、当量孔径
与一定土壤水吸力相对应的土壤孔隙直径
2、凋萎系数(萎焉系数) （Wilting Coefficient） 根系因无法吸收水分而发生萎焉时的土壤含水量
是土壤有效水下限 吸力约 15 bar
17
18
水分常数与水分有效性的关系
水分能量 (大气压)
1~2万 31 最 大 吸 湿 量
16~15 凋 萎 系 数
水分常数
6.25 最 大 分 子 持 水 量
2、组成特点
气体 大气 土壤空气
46
3、土壤空气组成变化对土壤和作物的影响
O2要求>10%，过低根系呼吸受阻，影响发 芽出苗
CO2根吸收，提供地上部光合作用，过多 会产生毒害，一般<1%即可 还原性气体过多对作物有毒害作用
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四、土壤水分含量的测定
烘干法：经典、准确，标准方法
中子法
TDR法（时域反射仪）：电磁测量方法，依据土 壤的介电性质。具有直接、快速、方便的特 点，并可同时测定土壤含盐量。
含水量与水吸力呈负相关 同一含水水量时，吸力：粘土>壤土>砂土 同一水吸力时，含水量：粘土>壤土>砂土
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水分特征曲线的作用：
吸力与含水量换算 反映土壤持水、供水性能 计算当量孔径，反映土壤中大小孔隙的分布 土壤水分运动参数计算
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5、当量孔径
与一定土壤水吸力相对应的土壤孔隙直径
2、凋萎系数(萎焉系数) （Wilting Coefficient） 根系因无法吸收水分而发生萎焉时的土壤含水量
是土壤有效水下限 吸力约 15 bar
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水分常数与水分有效性的关系
水分能量 (大气压)
1~2万 31 最 大 吸 湿 量
16~15 凋 萎 系 数
水分常数
6.25 最 大 分 子 持 水 量
2、组成特点
气体 大气 土壤空气
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3、土壤空气组成变化对土壤和作物的影响
O2要求>10%，过低根系呼吸受阻，影响发 芽出苗
CO2根吸收，提供地上部光合作用，过多 会产生毒害，一般<1%即可 还原性气体过多对作物有毒害作用
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地理人教版高中必修一(2019年新编)-5-2 土壤 教案
第五章植被与土壤5.2 土壤知能素养对标【必备知识一：观察土壤】地理事实1.土壤的概念陆地表层具有一定肥力,能够生长植物的疏松表层,由矿物质、有机质、水分和空气四种物质组成。
2.土壤观察的主要内容—颜色、质地、剖面构造(1)土壤颜色:是土壤最重要的外部特征之一,如黑土、红壤等。
黑土主要分布在我国东北地区,红壤主要分布在我国南方地区。
(2)土壤质地①土壤矿物质颗粒:石砾、砂粒、粉粒、黏粒等。
②土壤质地:不同粒级的矿物质在土壤中所占的相对比例。
③分类:砂土、壤土、黏土。
(3)土壤剖面构造①定义:指从地面垂直向下的土壤纵剖面,由一些形态特征各异的、大致呈水平展布的土层所构成。
②森林土壤剖面:有机层、腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层。
③耕作土壤剖面:耕作层、犁底层、自然土层。
核心概念土壤肥力:指土壤能持续不断供给并协调植物生长所需的空气、温度、养分和无毒害物质的能力,是土壤的本质特征和基本属性。
砂土:指土壤颗粒组成中砂粒含量较高的土壤。
壤土:指土壤颗粒组成中黏粒、粉粒、砂粒的比例适中的土壤。
质地介于黏土和砂土之间,兼有黏土和砂土的优点,通气透水、保水保温性能都较好,易培育成高产稳产土壤,也是较理想的农业土壤。
黏土:成分中黏粒占优势,通气、透水性差,保肥性能好,不易耕作。
有机质:指以各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质,包括土壤中的各种动、植物残体,微生物及其分解和合成的各种有机物质。
腐殖质:土壤有机质的一种,是经微生物分解完全腐烂的动、植物残体。
【必备知识二：土壤的主要形成因素】地理事实1.成土母质(1)意义:岩石的风化产物,是土壤发育的物质基础。
(2)影响:决定了土壤矿物质的成分和养分状况,影响土壤的质地。
2.生物(1)意义:是影响土壤发育的最基本也是最活跃的因素,没有生物的作用,就不可能形成土壤。
(2)影响:植物、动物、微生物的综合作用,加快岩石风化和土壤的形成过程,改善成土母质的性状,促进土壤矿物质颗粒的团聚。
第五节 土壤的水气热条件
2.土壤导热率
评价土壤传导热量快慢的指标。指面积
为1m2、相距1m的两截面上温度相差1K时， 每秒中所通过该单元土体的热量焦耳数。 单位：J/(m.K.s)土壤三相组成中，空气 的导热率最小，矿物质的导热率最大， 为土壤空气的100倍。水的导热率介于二 者之间。土壤越紧实，导热率越好。
（三）土壤空气和温度调节
3. 毛管水
靠土壤毛管引力而保持在土壤毛管孔隙 中的水叫毛管水，运动较快，不再受土粒引 力作用，是可以移动的自由水。是植物用水 的主要来源。毛管水所受的毛管引力在 0.625—0.01MPa，小于1.5MPa。
（1）毛管悬着水
指地形部位较高，不受地下水影响的地
区其土壤上层所保持的水分。当毛管悬 着水达到最大值时的土壤含量叫做“田 间持水量”，田间持水量是因土灌溉的 一个重要依据。
（二）、土壤热量
土壤的热量来源太阳辐射、生物热、地热。
1.土壤的热特性 （1）土壤热容量 重量热容量—单位重量土壤升高10K所需 的热量（J/g.K）容积热容量—单位容积土壤 升高10K所需的热量（ J/g.K）
土壤热容量的大小
决定于土壤固、气、液，由于固相变化不大，
而空气的热容量很小（水的1/3000），而水 的热容量很大，因此，土壤热容量的大小主 要决定于土壤含水量，土壤含水多，升高10 C所需要的热量大，降低10 C放出的热量也越 多。
二、土壤空气和土壤热量
（一）土壤空气
土壤空气是土壤三相组成之一，也是土 壤肥力因素之一。
1.土壤空气的特点
（1）CO2含量高于大气，O2含量低于大气
（2）常被水汽饱和，相对湿度高 （3）含有一定的还原性气体，H2S、CH4、H2 （4）土壤空气的组成处于变化之中，特别是 O2和CO2
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；
第五章土壤水、热、气、肥及其相互关系
1.3.1.1吸湿水: 干燥的土粒由于分子引力和静电引力的 存在而从空气中吸收水份的性质称为吸 湿性，所紧密吸附的水分就称为吸湿水. 特点: <1>.吸湿水的数量与大气温、湿度有关, 大 气温度愈低、湿度愈大, 吸湿量愈大; 也与质地有关,质地愈重,吸湿性愈强,吸 湿量也愈大.
<2>.吸湿水受土粒引力极大{31～10000个大气 压},无溶解力,不导电,在土壤中不能自由运动, 与土粒作整体运动. 同时,植物根系的根吸力一般只有10～20个大 气压,所以吸湿水不能被一般植物吸收利用.
年变化 － （太阳辐射能的季节变化） 呈现两个阶段, 升温阶段, 2~7月; 降温阶段, 8~1月; 最高温7月, 最低温1月. 随土层加深年变幅也减小, 在5~20米处消 失.
影响土温的因素： 一切影响土壤热量收入或支出的因素最终都将 影响土壤温度的高低, 可分为环境因素和土壤 内部因素两大类. 环境因素: a. 土壤所处的纬度 随着纬度的增加, 太阳入射角减小, 单位面积土 壤得到的太阳辐射能减少, 故纬度越高, 土温越 低.
第 五 章 土壤水、热、气、 肥及其相互关系
土壤水、热、气、肥4大因素 ：
各有其独立的运动发展变化规律 各自与环境状况息息相关 共存于土壤体系中，相互联系、相 互制约的。
第 一 节
土壤热性质
1- 土壤的热量来源 土壤热量主要来自4个方面，太阳辐射能、地热、 生物热和化学热。 1-1 太阳辐射： 任何物体，温度高于绝对零度 (－273 ℃) 时, 都要以电磁波的方式向外辐射能量。 太阳表面温度高达6000 ℃, 它要以电磁波 的方式向外辐射大量能量, 这种能量是土壤热 量的主要来源, 一般每cm2每分钟可得到1.9 卡 的热量.
土壤水分、空气和热量
园林植物生长与环境
土壤水分、空气和热量
1.1土壤水分
土
1、吸湿水（紧束缚水）
壤
水
2、膜状水（松束缚水）
的 类
3、毛管水
型
4、重力水和地下水土壤ຫໍສະໝຸດ 分、空气和热量1.1土壤水分
1.土粒2.吸湿水 3.膜状水4.移动的毛管水 5.空气孔隙
土壤水分、空气和热量
1.2土壤空气
气体 近地表大气
土壤空气与大气组成差异
O2(%) 20.94
CO2(%) 0.03
N2 (%) 78.05
其它气体(%) 0.98
土壤空气 18.0～20.03 0.15～0.65 78.8～80.24
0.98
1、土壤空气中O2的含量低于大气，而CO2含量高于大气。 2、土壤空气中的水汽含量高于大气。 3、土壤空气中又是含有少量还原性气体。
土壤水分、空气和热量
1.3土壤热量状况
土壤水分、空气和热量
1.3土壤热量状况
图6-5 干燥土壤热传导示意图
图6-6 湿润土壤热传导示意图
园林植物生长与环境
土壤水分、空气和热量
1.1土壤水分
土
1、吸湿水（紧束缚水）
壤
水
2、膜状水（松束缚水）
的 类
3、毛管水
型
4、重力水和地下水土壤ຫໍສະໝຸດ 分、空气和热量1.1土壤水分
1.土粒2.吸湿水 3.膜状水4.移动的毛管水 5.空气孔隙
土壤水分、空气和热量
1.2土壤空气
气体 近地表大气
土壤空气与大气组成差异
O2(%) 20.94
CO2(%) 0.03
N2 (%) 78.05
其它气体(%) 0.98
土壤空气 18.0～20.03 0.15～0.65 78.8～80.24
0.98
1、土壤空气中O2的含量低于大气，而CO2含量高于大气。 2、土壤空气中的水汽含量高于大气。 3、土壤空气中又是含有少量还原性气体。
土壤水分、空气和热量
1.3土壤热量状况
土壤水分、空气和热量
1.3土壤热量状况
图6-5 干燥土壤热传导示意图
图6-6 湿润土壤热传导示意图
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第一章
全球水分循环示意图 (据Botkin DB, 1998)
全球土壤水分状况季节性变化图
第一章
土壤水分类型
固态水
气态水
化合水
化学束缚水
土 壤
结晶水
束缚水 物理束缚水 吸湿水
水
膜状水
分
自由水
毛管水 重力水
毛管上升水 毛管悬着水 自由重力水 支持重力水
第一章
固态水
只有当土壤温度到0℃以下，土壤水发 生冻结时才能形成固态水，它不能为植 物所吸收利用；
第一章
➢ 膜状水：被吸附在吸湿水膜外层的水分叫膜状 水。膜状水的形成是在土粒表面形成吸湿水层 以后，尚有剩余的分子引力，吸附动能较小的 液态水分子，当膜状水达到最大数量时的含水 量，称为最大分子持水量；
➢ 凋萎系数：植物无法从土壤中吸收水分而呈现 永久凋萎，此时的土壤含水量就称为凋萎系数。
第一章
自由水
自由水：土壤中不被土粒牢固保持而能够自 由移动的液态水，即超过最大分子持水量时 的水分，这种水能够被植物利用，并参与土 壤中的各种物理化学作用。自由水可以分为 毛管水和重力水两种。
毛管水：土壤中被毛管力吸附存在于土粒之 间所形成的毛细管孔隙中的水分。毛管水是 土壤中最宝贵的水分：具有溶解力，在毛管 水中溶解有各种营养物质；又由于毛管力的 作用，毛管水能较长久的存在于土壤中，为 植物有效水分的基本来源。
土壤温度状况(soil temperature regime) 土壤空气(soil air)
第一章
2.3 土壤水分、空气
土壤颗粒之间、团聚体之间、颗粒与团聚体之间 存在大小不定的孔隙，它们是土壤水分、空气的 通道和储存库。
土壤孔隙 水分、空气
第一章
土壤水分、空气
第一章
土壤水分
土壤水分是土壤的主要组成部分; 是植物生活不可缺少的生存因子; 与可溶性盐构成土壤溶液，成为植物供应养分
第一章
毛管水的出现是一种普遍的毛管现象，毛管现 象由于两种力而产生：
水的表面张力（常显示在液体—空气界处， 由于水分子彼此之间的吸引力大于水分子与 界面上空气分子之间的吸引力，形成一个表 面向内的力）
水分移动时，它与所通过的管壁固体之间的 吸引力。
第一章
土壤孔隙直径大于8mm时，没有毛管现象，孔隙 由8mm向0.1mm过度时，毛管现象逐渐显现出来， 在0.1mm~0.01mm孔隙范围内，毛管作用最明显， 而孔隙小于0.001mm，则孔隙为膜状水所充满不 起毛管作用，称为无效孔隙。
第一章
毛管水依其存在状态可分毛管悬着水和 毛管上升水
毛管悬着水：当降雨或灌溉水进入土壤，在压 力作用下向下渗透，结果一部分流入下层，另 一部分靠毛管力的作用被保持在毛管孔隙中， 叫毛管悬着水；毛管悬着水达到最大时的土壤 含水量称为田间持水量
毛管上升水：地下水沿毛管上升而充满毛管孔 隙中的水分。当土壤毛管上升水到最大数量时 含水量，称毛管持水量。
来。如石膏，芒硝分别在60－65℃与20－25℃的较 低温度下就可被分离出来。
第一章
➢ 物理束缚水：主要是被土壤固体颗粒表面的分 子引力所保持着的水分，依其来源和受束缚力 的大小可分为吸湿水和膜状水。
➢ 吸湿水：即土壤固体颗粒依据其表面分子引力 吸持在颗粒表面的汽态水。
➢ 土壤吸湿水量大小，主要决定于土粒的表面积 大小和相对湿度的高低。土壤质地愈细，比表 面积愈大，吸湿愈强，所以土壤质地粘重，土 壤的吸湿水量就愈高，空气中相对湿度愈大， 吸湿量愈大，土壤保持吸湿水达到的最大量称 为吸湿系数。
土壤水分平衡的数学表达式为：
ΔW = P + I + U - E - T - R - In - D
式中： ΔW表示计算时段末与时段初土体储水量 之差（mm）；P表示计算时段内降水量 （mm）；I表示计算时段内灌水量（mm）；U 表示计算时段内上行水总量（mm）；E表示计 算时段内土面蒸发量（mm）；T表示计算时段 内植物叶面蒸腾量（mm）；R表示计算时段内 地面径流损失量（mm）；In表示计算时段内植 物冠层截留量（mm）；D表示计算时段内下渗 水量（mm）。
束缚水。束缚水可分为化学束缚水和物理束缚水；
化学束缚水：参与矿物结晶晶格组成，成为土壤矿
物化学组成的部分。依其与矿物结合的情形（牢固 程度），又可再分为化合水和结晶水；
化合水在矿物的结晶格的结合不太牢固，即较低温度下可被分离出
中纬度地区，冬季寒冷，具有季节性固 态水，高纬、高山的永冻土区，水分终 年固态。
第一章
气态水
➢气体状态存在的水分，即水汽。这种水存在于土 壤孔隙之中，也是土壤空气成分之一。气态水的 多少，随土壤的湿度和温度的变化而变化，且不 能被植物所利用。
第一章
束缚水
土壤中被固体颗粒束缚着的不能自由移动的水称为
第一章
重力水
当毛管水达到最大持水量后,若再有水分补给时， 则存在于大孔隙(>8mm)中的水因重力作用下移成 为重力水。重力水的下移主要是在非毛管的大孔 隙及土壤中的裂隙、根孔、动物洞穴中进行；
55%
30% 5%
10%
植被截留 地表径流 地表蒸发 渗入土壤
第一章
土壤水分消耗
土壤水分的消耗主要有土壤蒸发、植物吸收和 蒸腾、水分渗漏和径流损失，其中地面蒸发和 水分渗漏最为重要；
土壤水分的收入与消耗导致的土壤含水量变化 状况即为土壤的水量平衡。
第一章
田间土壤水分平衡
第一章
田间土壤水分平衡
第一章 土壤剖析
第二节 土壤组成 2.3 土壤水分与空气
第一章
教学重点
1. 掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性 2. 理解土壤水类型、土水势及土壤水分状况 3. 了解土壤空气及其运动、土壤热量状况
第一章
关键词
土壤水分(soil water content ) 土壤水势(soil water potential) 土壤水分状况(soil water regime)
的介质; 影响土壤中物质能量的迁移转化过程; 影响土壤形成发育的方向和性质。
第一章
土壤水分
植物从土壤中吸取的水量十分巨大，就多 数农作物而言，每生产一斤干粒实和基杆，要 消耗一百甚至几百斤以上的水。这样大的需水 量，就要求土壤具有不断供给和保存适量水分 的能力
第一章
土壤水分来源
土壤水分主要来源大气降水、灌溉水和地下水。