第五章土壤空气与热量课件.ppt
,土壤空气与近地表大气组成，主要差别：（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）土壤空气中水汽含量一般高于大气（4）土壤空气中含有较多的还原性气体。,第一节 土壤空气一、土壤空气组成 表61土壤空气与大气组成差异,土壤空气的组成不是固定不变的，土壤水分、土壤生物活动、土壤深度、土壤温度、pH值，季节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加，O2含量减少，其含量相互消长,随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加，O2含量减少覆膜比露地CO2浓度高,O2含量减少,二、土壤空气的运动如果没有土壤通气性，土壤空气中的氧在很短时期内就可能被全部耗竭。土壤与大气进行交换的机制有二:一是个别成份的分压梯度产生的-扩散 二是土壤与大气间由总压力梯度造成的整体交流 1、土壤空气的对流(整体交流)土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动，也称质流。对流由高压区 低压区。土壤空气的对流受多种因素的影响:温度、气压,风力、降水和灌溉的挤压,第一节 土壤空气,2、土壤空气的扩散 在大气和土壤之间CO2和O2浓度的不同形成分压梯度，驱使土壤从大气中吸收O2，同时排出CO2的气体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主要机制。土壤中CO2和O2的扩散过程分气相、液相两部分。通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用 通过不同厚度水膜的扩散(溶解后扩散,CO2快过O2)两种扩散都可以用费克(Fick)定律表示：qd=Ddc/dx,气相扩散,液相扩散,第一节 土壤空气,式中：qd-扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质量)；dc/dx-浓度梯度；D-在该介质中扩散系数(其量纲为面积/时间)从公式可见，气体扩散通量(qd)与其扩散系数(D)和浓度梯度(dc/dx)或分压梯度(dp/dx)成正比。qd=(D/B)(dp/dx)B为分压梯度与浓度的比值浓度梯度是不易控制因素，所以只有调整扩散系数D来控制气体扩散通量。扩散系数D值的大小取决于土壤性质，通气孔隙状况及其影响因素(质地、结构、松紧程度、土壤含水量等,第一节 土壤空气,式中：D0-自由空气中的扩散系数 S-未被水分占据的孔隙度()l-土层厚度 le-气体分子扩散通过的实际长度 l/le和S的值都小于 1 结构良好土壤中，气体在团聚体间大孔隙间扩散，而团聚体内小孔隙则较长时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部通气性状。所以紧实大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧。所以通气良好的旱地也会有厌气性微环境。同一土壤,不同的气体D也不同,如O2约为CO2的1.25倍,第一节 土壤空气,D=D0Sl/le,补充:土壤通气指标 1 总孔隙度5055%或60%，其中通气孔度要求810%，最好1520%。使土壤有一定保水能力又可透水通气。2 单位时间通过单位断面（或单位土重）的CO2数量 土壤呼吸强度不仅作为土壤通气指标，而且是反映土壤肥力状况的一个综合指标。34,土壤孔隙度,土壤呼吸强度,土壤透水性,土壤氧化还原电位,第一节 土壤空气,第二节 土壤热量,土壤温度的重要性土壤的热状况直接反映在土壤温度上。土壤温度影响到土壤的形成和形状及植物的生育，在一定温度范围内，土壤温度越高，植物生长越快。如种子萌发 根系的生长 作物的生理过程 营养生长和生殖生长,一、土壤热量来源1 土壤热量的最根本来源。太阳常数1368w/m2。2 微生物分解有机质过程是放热过程。对大田影响微乎其微，在保护地的栽培和早春育秧中，施用有机肥并添加热性物质，如大量施用 半腐熟的马粪等，可促进植物生长或幼苗早发快长。3 地壳传热能力差，对土壤温度影响极小（54卡/年.CM2），一般可忽略不计。地热是一种能源,太阳辐射能,生物热,地热,二、土壤表面的辐射平衡及影响因素 第二节 土壤热量 1、地面辐射平衡 太阳直接短波辐射(I)地面短波反射(I+H)天空(大气)短波辐射(H)地面长波辐射 E 逆辐射(长波辐射)(G)I+H-投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射）(I+H)-被地面反射出的短波辐射，(为反射率)r=EG-是土壤向大气进行长波辐射量(E)与大气升温反向土壤辐射量(G)的差值；以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的平衡差值 R=(I+H)(I+H)+(GE)=(I+H)(1)r,收入,支出,R为正，吸热，温度升高,地面辐射平衡示意图,2、影响地面辐射平衡的因素 太阳的辐射强度 主要取决于天气和日照角；晴天比阴天的辐射强度大。日照角越大，则单位面积接受的太阳能越多，（最大直角），一天内中午最大，投射角又受纬度和坡向坡度等影响。南坡增加度，相当于南移100公里（低纬度地区更明显）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。陆地表面的平均反射率为1035 入射角越大，反射率越小，（水面45为 5%，15为20%5 为55%）,第二节 土壤热量,地面有效辐射（r=EG）长波辐射，能量不大，影响因素：云雾、水汽和风。强烈吸收和反射地面发出的长波辐射，减少有效辐射。海拔高度：海拔越高，空气密度，水汽，尘埃都少，逆辐射少地表特征：起伏地面大于平滑地面地面覆盖可减少有效辐射（减少了热量吸收）晚上土壤降温主要原因是有效辐射造成的，喷雾，熏烟可防止晴天无云的晚上温度过降,三、土壤热量平衡 当土面获得太阳辐射能转换为热能时，大部分热量消耗于土壤水分蒸发和土壤与大气之间的湍流热交换，一小部分被生物活动所消耗，只有很少部分通过热交换传导至土壤下层。据右图，设太阳辐射能有47%到地面，蒸腾消耗占23%，长波净辐射占14%，对流传导占10%。,第二节 土壤热量,土壤收支平衡表示式式中：S-单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；R-辐射平衡；（教材前后没呼应）P-土壤与大气层之间的湍流交换量；LE-水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加的量；B土面与土壤下层的之间的热交换量。正负双重号表示不同情况下有土温增或减的不同方向 一般情况下，白天热量平衡方程计算出S为正值，即土壤温度升高；夜晚S为负值，土表不断向外辐射损失热量，温度降低。,S=RPLE+B,第二节 土壤热量,第三节 土壤热性质一、土壤热容量 重量热容量(C)：指单位重量土壤温度升高1所需的热量(卡/克或J/g)。容积热容量(Cv)：指单位容积的土壤温度升高1所需的热量(卡/立方厘米或J/cm3)。,Cv=C土壤容重(土),一般矿质土粒C为0.71 J/g,为 2.65 则mCv=0.712.65=1.9 J/cm3 有机质C为1.9 J/g,为1.3 则OCv=1.91.3=2.5 J/cm3 土壤水C或wCv均为4.2 土壤空气aCv=1.2610-3 J/cm3,单位体积土壤质量,土壤不同组分的热容量,土壤热量,Cv=mCvVm+OCvVo+wCvVw+aCvVa,式中：mCv、OCv、wCv和aCv分别为土壤矿物质、有 机质、水和空气的容积热容量；Vm、Vo、Vw和Va分别为土壤矿物质、有机质、水和空气在单位体积土壤中所占的体积比。气体的热容量可忽略，公式可简化为：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/(cm3)二、土壤导热率 1、概念 导热性-土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。导热率-单位厚度(1cm)土层，温差1，每秒经单位断面(1cm2)通过的热量卡数或焦耳数。,Q为传递的热量A为面积 T为时间,Q/AT表示单位时间,通过单位面积的热量.t1 和t2为土壤两端的温度,d为土层厚度(t1-t2)/d为温度梯度其单位为J/(cm.s.),土壤中固体的导热率最大,8.410-32.510-2,水其次,约为510-3,空气最小210-4,平均水是空气的25倍,固体部分是空气的100倍.对一个土壤,固体部分变化不大,调水是调节导热率的措施。增水,一是增加C,使土温变化缓慢,二是增加导热率,水的导热率大于空气导热率，当土壤含水量低时，由于空气导热率很小，因此土壤导热率小，特别是疏松孔隙多的土壤，导热率小。若含水量低但土壤紧实，热量可通过土粒(矿物质)传导，导热率则较大。2、增大土壤导热率的意义 导热性好的湿润表土层白天吸收的热量易于传导到下层，使表层温度不易升高；夜间下层温度又向上层传递以补充上层热量的散失，使表层温度下降也不致过低，因而导热性好的湿润土壤昼夜温差较小。,第一节 土壤空气,（下层）土壤温度决定于土壤导热率和热容量。如果热量一定，土壤温度升高的快慢和难易决定于其热扩散率。土壤传递温度变化的性能,1、概念 指在标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距离内，1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，以D表示。式中：土壤导热率；Cv土壤容积热容量,D=/Cv(cm2/s),三、土壤热扩散率,第三节 土壤热性质,影响和Cv：质地、松紧度、结构及孔隙状况等 土壤水的D=5.02110-3/4.18=1.210-3，土壤空气的D=2.09210-41.25510-3=0.17土粒的D=8.410-3-2.510-2/1.9=4.4210-31.310-2。土壤固相物质组成稳定，土壤扩散率主要取定于土壤水和空气的比例。当土壤含水率由小增到某一值时，D逐渐增加至最大值；此时含水量再增加，D反而变小。因为前期含水量增加，和Cv都增大，但后期土壤含水量增大，虽然增大，但Cv增大更快一些，所以D反而逐渐减小。,第三节 土壤热性质,2、影响因素,P127 图6-4,质地的区别,第四节 土壤温度 一、土壤温度年变化 升温阶段，一般为1月至7月，7月达最高；降温阶段，一般是为7月至次年1月，1月达最低。土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为“时滞”。温度的变幅也随土层深度而缩小，至525米深处，土温年变幅消失,纬度不同有区别。,表层,二、土温日变化 土表温度最高值出现在当地时间14时左右(滞后于气温变化1小时)，最低温出现在日出之前。土温日变幅以表土最大，至40100cm深处变化幅度小甚至消失土温的变化决定于辐射平衡的变化与土壤热性质:晴天,变幅大,阴天变幅小.植被的影响土壤质地、有机质含量、含水量、土色对土温变化都有显著的影响,主要是通过影响土壤的导热性来影响土温,三、影响土温变化的因素,纬度,坡向,坡度,纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度。随纬度由低到高，自南而北土壤表面接受的辐射强度减弱，土温由高到低。,北半球南坡接受太阳辐射最多，东南坡、西南坡次之，东坡、西坡、东北坡、西北北依次递减，北坡最低。,北半球中纬度地区（30600）的南向坡，随着坡度增加，接受太阳辐射增加。,地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。,海拔高度,土壤因素,地面覆盖,海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热土壤吸收热量增多，所以高山土温比气温高。由于高山气温低，地面裸露时，地面辐射增强，随着高度增加，土温比平地的低。,影响土温变化的土壤因素，包括土壤结构、质地、松紧度、湿度、颜色、地表状态及土壤水含量等。,
