土壤学(第六章) 土壤空气和热量状况ppt课件.ppt

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1、第六章 土壤空气和热量状况,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,主要内容,教学目标与要求,1.土壤空气 2.土壤热量 3.土壤热性质 4.土壤温度,1.掌握土壤空气的组成与大气组成的差异及土壤空气运动的方式；2.了解土壤热量的来源，掌握土壤的三个热参数;3.理解土壤温度变化的影响因素。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,第一节 土壤空气(Soil Air) 一、土壤空气组成(soil air composition),表61土壤空气与大气组成差异,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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O

2、2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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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。,二、土壤空气含量(soil air content) 土壤空气含量=总孔度-水分容积百分率。,表62 覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量 （%）,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,三、土壤空气与作物生长 1.土壤空气与根系 (1) 若土壤空气中O2

3、的含量小于9或10，根系发育就会受到影响，O2含量低至5以下时，绝大多数作物根系停止发育。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,(2) O2与CO2在土壤空气中互为消长，当CO2含量大于1时，根系发育缓慢，至520，则为致死的含量。 (3) 土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如H2S使水稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚至死亡。2.土壤空气与种子萌发(bourgeon) 种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺氧时，葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,3.土壤空气与微生物活动 (1) 土壤空气影响微生物活动，从而影响有机质转化。通气良好利于

4、有机质矿质化。 (2) 根系吸收养分，也需要通气良好条件下的呼吸作用提供能量。 4.土壤空气状况与作物抗病性(1) 植物感病后，呼吸作用加强，以保持细胞内较高的氧水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用；,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,(2) 呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些隔离区阻止病斑扩大；(3) 伤口呼吸显著增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。,四、土壤空气与大气痕量温室气体(greenhouse gasses)的关系 大气中痕量(trace quantity)温室气体（CO2、CH4、N2O、氟氯烃化合物）导致的气候变暖，是人们非常关注的重大环境问题。土壤是大气痕量温室气体

5、的源(source)和汇(sink) 。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,土壤向大气释放温室气体，因此说土壤是大气痕量温室气体的源。 土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇。五、土壤空气的运动1.土壤空气的对流(convection),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。对流由高压区流向低压区。,总压力梯度的产生：,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。 土壤对流公式：qv=-(k/)p qv空气的容积对流量（单位时间通过单位横截面积的空气容积）； k通气孔隙通气率； 土壤空气的粘度； p土壤空气压力的三维（向）梯度

6、； 负号表示方向。 从公式可见空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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。 气相扩散：通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用 液相扩散：通过不同厚度水膜的扩散 两种扩散都可以用费克（Fick）定律表示： qd =Ddc/dx,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,qd扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质量)； dc/dx浓

7、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。 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，主要取决于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)。D=D0Sl/le,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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。 结构良好的土壤中，气体在团聚体间的大孔隙间扩散，而团聚体内的小孔隙则较长

8、时间保持或接近水饱和状态，限制团聚体内部的通气性状。所以紧实的大团块，即使周围大孔隙通气良好，在团块内部仍可能是缺氧的。所以通气良好的旱地也会有厌气性的微环境。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,六、土壤通气指标 1.土壤孔隙度 总孔隙度5055%或60%，其中通气孔度要求810%，最好1520%。这样可以使土壤有一定保水能力又可透水通气。2.土壤呼吸强度(intensity of soil respiration) 单位时间通过单位断面(或单位土重)的CO2数量 土壤呼吸强度不仅可作为土壤通气指标，而且是反映土壤肥力状况的一个综合指标。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,3.土壤

9、透水性 (water permeability) 水田土壤适当的透水性可反映土壤透水通气状况。4.土壤氧化还原电位 (redox potential),土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,第二节 土壤热量(soil quantity of heat)一、土壤热量来源1.太阳辐射能(solar radiant energy) 土壤热量的最根本来源。太阳能的99%为短波（波长0.34m）辐射。当太阳辐射通过大气层时，一部分热量被大气吸收散射，一部分被云层和地面反射，而土壤只吸收其中的一少部分。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,2.生物热(biotherm) 微生物分解有机质过程是放热过

10、程。释放的热量一部分作为微生物的能源，大部分用来提高土温。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，如半腐熟的马粪等，可促进植物生长或幼苗早发快长。3.地热(terrestrial heat) 地壳传热能力差，对土壤温度影响极小，可忽略不计,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,二、土壤表面的辐射平衡及影响因素1.地面辐射平衡 收入： 支出： 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

11、进行长波辐射量(E)与大气升温反向土壤辐射量(G)的差值；,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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,2.影响地面辐射平衡的因素 太阳的辐射强度 主要取决于气候；晴天比阴天的辐射强度大。天气条件相同条件下取决于太阳光在地面上的投射角（日照角），投射角又受纬度和坡向坡度等影响。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系, 地面的反射率 太阳入射角、日照高度、地面的状况，地面状况又包括颜色、粗糙程度、含水状况、植被及其他覆盖物状况 地面有效辐射 云雾、水汽和风。强烈吸收和反射地面发出的长波辐

12、射，减少有效辐射。 海拔高度。海拔高，大气逆辐射少，有效辐射增大。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,地表特征。起伏、粗糙的地表比平滑地表有效辐射大 地面覆盖。导热性差的地被物可减少地面的有效辐射,三、土壤热量平衡(soil heat balance) 地面辐射平衡是土壤热量平衡的基础，但后者对土壤热量状况的影响更显著。 当土面获得的太阳辐射能转换为热能时，其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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,根据下图，假定太阳辐射能有47%到地面，蒸发蒸腾消耗占23%，长波净

13、辐射占14%，对流传导占10%。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,土壤收支平衡表示式 S=RPLE+B S单位时间内土壤实际获得或失掉的热量； R辐射平衡； 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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,第三节 土壤热性质(soil heat regime)一、土壤热容量(soil thermal capac

14、ity) 重量热容量(ponderance thermal capacity) （Cp）：指单位重量土壤温度升高1所需的热量（J/g.）。 容积热容量(volume thermal capacity) （Cv）：指单位容积的土壤温度升高1所需的热量（J/cm3.）。Cv=Cp土壤容重,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,63 土壤不同组分的热容量,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,由于土壤组成分复杂，每种成分的热容量都不一样，不同成分的容重也不一样。 Cv = mCvVm + OCvVo wCvVw+aCvVa,mCv、OCv、wCv和aCv分别为土壤矿物质、有机质、水和空气的容积热

15、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。 因为气体的热容量可忽略，所以公式可简化为： CV=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/(cm3) ,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,影响土壤热容量的组分中，土壤水起了决定性作用。 从土壤三相角度看，液相的土壤水分的热容量最大，气相最小；,固相中，腐殖质的热容量与其他成分相比有明显的优势，其他各组分的热容量彼此差异不大，所以土壤热容量的大小主要决定于土壤水分的多少和腐殖质的含量。但是有机质的含量比较固定，很难在短期内改善，只有水分是易变量，可以通过灌排调节土温。,土壤学资源环境学院土地资源

16、与农业化学系,二、土壤导热率(soil thermal conductivity)1.概念 导热性：土壤具有的将所吸热量传导到邻近土层的性质。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。,水的导热率远大于空气导热率，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，特别是疏松孔隙多因而空气多的土壤，导热率小。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,表6-4 土壤不同组成分的导热率（J/cms）,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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

17、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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,三、土壤热扩散率(soil thermal diffusivity),土壤温度决定于土壤的导热率和热容量。如果热量一定，土壤温度升高的快慢和难易则决定于其热扩散率。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1 cm2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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,D=/ Cv（cm2/s）式中

18、土壤导热率； Cv土壤容积热容量2.影响因素,影响和Cv土壤因素有质地、松紧度、结构及孔隙状况等。 土壤水的D=5.02110-3 土壤空气的D=2.09210-4 1.25510-3 土粒的D=8.410-32.510-2/1.9,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,对于土壤，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。 在实际应用中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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,第四节 土

19、壤温度(soil temperature) 一、土壤温度年变化(annual variation) 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520米深处，土温年变幅消失。 在升温阶段，表土温度高，底土温度低，热量由表土向底土传导；降温阶段则相反。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,二、土温日变化 土表温度最高值出现在当地时间1314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。,三、影响土温变化的因素

20、 1.纬度 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。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,2.坡向 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、西北依次递减，北坡最低。 3.坡度 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。,4.海拔高度,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热快，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。 5.土壤因素 影响土温变化的土壤因素，包括土壤

21、结构、质地、松紧度、颜色、湿度、地表状态及土壤水汽含量等 。6.地面覆盖地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,复习思考题,一、名词解释1.土壤呼吸强度 2.土壤重量热容量3.土壤容积热容量 4.土壤导热率5.土壤热扩散率二、思考题1.土壤空气与近地面大气组成上有何差异？为什么？2.土壤空气含量及其组成受哪些因素影响？3.土壤空气与作物生长有何关系？,土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,4.土壤空气与大气痕量温室气体有何关系？5.反映土壤通气性能的指标有哪些？6.土壤热量来源有哪些？7.土壤热容量主要受什么因素影响？8.土壤温度变化主要受哪些因素影响？,