第四章土壤水、空气和热量(二

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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

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

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

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?

第五讲 土壤水、空气和热量

第五讲 土壤水、空气和热量

K=
λ Cv
土壤热扩散率的大小反应土壤导热引起土壤温度 变化性能的强弱,影响因素主要也是土壤含水量 ,干土易升温,湿土不易升温。
三、土壤温度变化
• 土壤热量基本来源是太阳辐射,由于太阳辐射有周期性的日、年变化, 所以土温也有周期性的日、年变化。 • (一)土壤温度的日变化 • 1.概念 • 土表日间增热和夜间冷却所引起的土温昼夜变化,称土温日变化。 • 2.特点 • (1)土表温度的最高值出现在13-14时左右,最低值出现在早晨5-6点。 • (2)土处已 没有太大的变化。 • (3)白天表层土温高于底层,晚间底层土温高于表层。

4.4土壤通气性的衡量
比较使用的衡量指标有二: (1)土壤氧化还原电位; (2)土壤的通气孔隙度(土壤容气量)

• 1、土壤通气孔隙度(%) • 一般非毛管孔隙度15-20%为良好,<10通气不 良,10-15中等。 • 2、土壤氧化还原电位 • 在土壤中,通气条件越好, Eh值越大,土壤的 氧化性越强。 • 如水分含量较高,Eh就小,土壤处于还原状态。

土壤热的传导总是由土温高处向土温低处。
土壤的导热率也和土壤的三相物质比率有关。
土壤组成
导热率 [cal/(cm·s·℃)]
表 6-16 土壤各组成成分的导热率 矿物质 水分 空气
0.004-0.005 0.0014 0.00005
干燥土壤
0.0003-0.0005
矿物质的导热率最大,约为空气导热率100倍,其次是土壤水分, 比空气大25倍,土壤空气的导热率最小。 影响土壤导热率大小因素是:①土壤含水量;②土壤松紧度和 孔隙状况。 • 当土壤干燥时,孔隙被空气所占领,导热率就低。 • 当土壤湿润时,孔隙被水所占领,导热率增大。

第四章土壤水分、空气与热性质示文稿1.ppt

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❖ 2、性质: ❖ ①紧靠土粒表面的水分子受到的吸持力范围从109Pa-
3.1×106Pa(10000-31大气压) ❖ ② 密度1.2-2.4g/cm3,平均1.5g/cm3,表现出固态水的性
质。
❖ ③冰点低至-7.8℃,不能移动,没有溶解能力。
❖ 由于植物根系的渗透压一般只有15个大气压,因此, 吸湿水对植物是一种无效水
水+气=总孔隙容积
土壤空气容积百分数=孔隙度-水容(%) 土壤固相物质所占的容积百分数=1一孔隙度
可求出土壤固液气三相物质容积比
(三)水层厚度 将一定面积一定厚度土层中的水分总量,换算
成水层厚度(mm),是与气象资料相吻合的一种表示方式。
水层厚度(mm)=土层厚度(mm)×水容% =土层厚度(mm)×水重%×土壤容重
(四)水的体积 将一定面积和一定深度土层中含水总量,
换算成水的体积来表示。
水的体积=土壤面积×土层厚度×土壤容重×水重% 若面积为亩则:
2000
12
水的体积(m3/亩)= ×水层厚度(mm)× = ×水层厚度(mm)
3
1000 3
式中1/1000是将毫米数换算成米数,2000/3为一亩地面积(m2)
五、土壤水分的能量状态
❖ 土壤水的能态是指土壤中水分的能量状态,常用土水势和水 吸力来表示。
❖ (一)、土水势 ❖ 1、概念: 土壤中的水在土壤中受到了各种力场的作用,如
吸附力,毛管力等,使土壤中的水比纯水自由能降低了(分 子活动能力降低了),土壤水的自由能和纯自由水之间自由 能的差值,其值大小等于在标准大气压等温条件下,单位数 量的纯自由水转变成土壤水时所作的功或其自由能的降低值 称为土水势。 ❖ 土水势严密的概念如下:从一已定高度的蓄水池中,把无 限少量的纯水,在一个大气压下等温可逆地转移到土壤中的 某一已定点,使成为土壤水,这时必须做的功,以单位水量 来表示称为土水势。 ❖ 我们规定纯水(自由水)势能值为零,土水势应是负值

土壤空气、土壤热量及水气热调节

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

《土壤空气和热量》课件

《土壤空气和热量》课件

参考文献
1. 引用的相关文献一 2. 引用的相关文献二 3. 引用的相关文献三 4. 引用的相关文献四
影响因素
土壤含水量、温度和有 机质含量都会影响土壤 空气的含氧量。
土壤热量
1
来源
土壤热量来自太阳辐射、大气传导和地下热流。
2
作用
土壤热量影响土壤温度、植物生理过程和微生物活动。
3
影响因素
土壤类型、土壤水分和植被覆盖都会影响土壤热量的分布。
与作物生长的关系
土壤空气
土壤空气影响植物根系氧 气摄取和呼吸作用,对植 物的生长和发育至关重要。
《土壤空气和热量》PPT 课件
# 土壤空气和热量
土壤空气和热量对农业生产至关重要。本课件将介绍土壤空气和热量的组成、 功能、作用以及与作物生长的关系。
简介
什么是土壤空气和热量? 为什么它们在农业生产中如此重要?
土壤空气
组成
土壤空气主要由氮气、 氧气和二氧化碳组成。
功能
土壤空气可影响土壤通 气性、根系生长和微生 物活动。
土壤热量
适宜的土壤热量有助于提 供植物所需的热能,促进 植物光合作用和养分吸收。
优化土壤环境
通过科学管理土壤通气性 和热量分布,可提高作物 产量和热量在农业生产中起着关键作用,影响着作物的生长和发展。
2 管理和优化
科学合理地管理和优化土壤环境,可帮助实现高产高质的农业生产目标。

第4章土壤水、空气和热量

第4章土壤水、空气和热量

膜状水


当土壤含水量达到最大吸湿量时,土粒对 周围水分子还有剩余引力,可以在吸湿水 外层又吸附一层新的液态水膜。这层新的 水膜就称为膜状水。 基本性质与液态水相似,但粘滞性较大, 无溶解性。可以沿土粒从水膜厚处想薄处 移动。土壤膜状水含量达到最大时,成为 最大分子持水量。



当根接触膜状水时,膜状水可以被吸收。 但膜状水对植物而言是供不应求的。但 膜状水尚未完全被利用之前,植物就会 出现凋萎状态。 植物因缺水而出现永久萎焉时的土壤含 水量,称为凋萎系数。 凋萎系数是植物可以利用的有效水的下 限,它因土壤和植物的不同而不同。
水通过半透膜的移动
H O H O H H O H O H O H H H O H H O H H O H H O H
K+
H
Cl-
H
溶质势的计算:
o RT Ci
R — 气体常数 (82 bar / cm3 / mol . K) T — 绝对温度 (K)
Ci — 溶质各组分的溶度 (mol )
×100
θ v θ m Db / Wb
例题:已知一土壤的重量含水量为20 % ,容重为 1.25 g cm-3 , 求该土壤的容积含水量? (试算) θv = 20 ×1.25 / 1 = 25 %

土壤相对含水量:土壤含水量占某参照持 水量的百分数。
土壤相对含水量 =
土壤含水量 ×100 田间持水量
液柱上升高度是:h=2γcosθ/(ρgr)
γ= 表面张力;θ= 接触角;ρ= 液体密度;g= 重力加速度;r= 细管半径。
当θ>90度,这表示弯液面为凸面;同时h<0,表示流体在毛细管下降,即汞在 玻璃管的情况。
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②客土掺沙、掺黏,改良过黏、过沙的土壤质 地,提高土壤的透气性。
③雨后、灌水后及时中耕,消除土壤板结,以 利通气。
④灌溉结合排水,利用调节土壤墒情的办法来 改善土壤通气状况。目前采用喷灌、滴灌等先进的 灌水方法,既能节水又能改善土壤的通气状况。
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( )
土壤空气成分随时、空而变化。 CO2含量随土层加深而增加, O2则相应减少,冬季表土CO2含量最少,开春后根系呼吸加强, 微生物活动加快,CO2含量增加,到夏季最高。
二、 土壤中的空气流
• 土壤空气运动的方式有两种:即对流和扩散。影响土壤空气运动 的因素有气象、土壤性质及农业措施,气象因素主要有气温、气 压、风力和降雨等。
Eo
0.059 n
Log
[氧化态] [还原态]
旱田:土壤的Eh为 400~700 mv 水田:土壤的Eh为 -200~400 mv
(二)土壤空气状况对植物生长的影响
1.影响种子萌发
种子正常发育需要O2的含量在10%以上,如 果小于5%,种子萌发将受到抑制。
2.影响根系生长和吸收功能
土壤空气中O2浓度小于9%~10%时,根系发 育受影响,小于5%则绝大部分作物的根系停止 发育。一般在通气良好的土壤中,植物根系长、 颜色浅,根毛多,而缺氧则会阻碍根系伸长和侧 根萌生,根系短而粗,颜色暗,根毛大量减少。 养分吸收量则相应降低,尤其对钾和氮的吸收影 响较大。
土壤空气组成显然不是固定不变的。
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,
三、 土壤通气性(soil aeration)
(一)、土壤通气性的定义和指标 1. 土壤通气性
泛Hale Waihona Puke 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。
2.土壤通气性指标---氧化还原电位(Eh)
土壤的Eh可以做为土壤通气性的指标,它指示土 壤溶液中氧压的高低,反映土壤通气排水状况。
Eh
在地球大气层的顶部测得 的垂直于太阳光下一平方厘 米的黑体表面在一分钟内吸 收的辐射能常数,称作太阳 常数,一般为1.9k/cm2/min。
99%的太阳能包含在0.3-
a
HI
4.0微米的波长内,这一范
E
围的波长通常称为短波辐射。
(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。
2、土壤空气和大气某些组成含量有差异,其他则是相同的 ( )。
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。( )
10、土壤通气的好坏主要受含水量和结构性的影响(
)。
第二节 土壤热量 (Soil heat)
土壤热量最基本的来源是太阳辐射能, 还有生物热和地热 。
土壤温度是衡量土壤热量的尺度,反 映土壤热能获得和散失的平衡状况。
一、土壤热量的来源
(一)太阳的辐射能
(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。
通常采用以下农业措施来调节土壤通气状况
①深耕结合施用有机肥料;培育和创造良好的 土壤结构和耕层构造土壤总孔隙度和空气孔隙度, 改善通气性。
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
大气的相对湿度通常只有50%~90%,而土壤空气的相对湿 度大多是近饱和的(99%以上)。
4.土壤空气中含有较高量的还原性气体(CH4等) 5. 土壤空气时空变化差异大
土壤空气对流
土壤空气对流是指土壤与大气间由总压力梯度驱动气体的整体流 动,也称为质流。其流向总是由高压区流向低压区。很多因素引 起土壤与大气间的压力差,而使土壤空气与大气产生对流,如气 压、温差、降雨或灌溉和地面风力等。
• 土壤空气扩散 土壤空气组成中,C02的浓度高于大气,O2的浓度低于大气,使 之分别产生了CO2和O2的分压差,在分压梯度的驱动下,使C02不 断从土壤中向大气扩散,O2不断从大气向土壤空气扩散。一般认 为扩散作用是土壤空气与大气进行交换的主要机制。
3.影响土壤微生物活动和养分状况
土壤通气良好,O2供应充足,大多数有益微生 物活动旺盛,土壤有机质分解迅速而彻底,可以 释放更多的速效养分供植物吸收利用。反之,不 利于向植物供应有效养分。
4.影响植物生长的土壤环境状况
通气良好时,土壤呈氧化状态,通气不良,土 壤还原性加强,有机质分解不彻底,可能产生过 多的还原性气体和有毒物质。
§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
CO2
N2
其他气体
近地面 20.94
0.03
78.05
0.98
的大气
土 壤 18.0- 0.15- 78.8-

空气
20.03
0.65
80.24
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组成基本相近,也存在些差异。
(三)地球内热
从地球内部的热向地面传导的热能。地热是 一种重要的地下资源。尤其是在一些异常地区, 如火山口附近、有温泉之地。
二 影响地面辐射平衡的因素
1、太阳的辐射强度
日照角越大 ,坡度越大,地面接受的太阳辐射越多。
在中纬度地区,南坡坡地每增加一度,约相当于纬度南移100 公里所产生的影响。
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