土壤水、空气和热量.ppt

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1、【教学目标】*土壤空气状况1了解土壤空气的组成特点与大气的差异以及产生原因2重点掌握土壤空气运动的方式，为什么说扩散运动方式是土壤空气运动的主要机制3了解土壤空气影响植物生长和土壤肥力的哪些方面4在农业生产中，一般用哪些措施来调节土壤空气状况*土壤热量状况1了解土壤热量的来源，为什么说太阳辐射能是土壤热量最基本的来源2重点掌握土壤的热性质以及它们在土壤中的变化和相互关系3掌握土壤温度的日变化、年变化和对植物生长和土壤肥力的影响4采用哪些措施、在一定程度上可调节土壤的温度状况,第四章 土壤空气和热量状况,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,1 土壤空气的

2、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%）,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。,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5090，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,土壤空气组成显然不是固定不变的。,覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%),土壤空气的变化规律：,随着土

3、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1922%之间，,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

4、气温、气压、风力和降雨等。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，这种O2从大气进入，而CO2从土体排出的气体扩散作用，亦称为土壤呼吸。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。,（一）、对流,对流，又称质流，驱动力是总气压梯

5、度，它使气流冲从高压区向低压区运动。,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),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。（4.10）式中：q表示体积扩散通量LT-1 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若用扩散气体的分压(P)代替浓度，方程为：（4.11）式中表

6、示浓度与分压的换算常数（比值,注意：首先，土壤中气体表观扩散系数Ds必然比自由大气中的扩散系数Do小。其次，水在土中的传导性主要取决于孔隙的大小分布，,不同充气孔隙度下草甸褐土透气率K值(北京农业大学 1989),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。土壤通气性主要取决于空气孔隙的数量和大小，要求土壤不仅要有适当的孔隙总量，更重要的是要有一定的空气孔隙度。,1静态指标：（1）容积分数或充气孔隙度（2）土壤的空气组成（CO2和O2等的含量）取样的代表性不十分确定,3土壤氧化还原电位

7、（Eh）,土壤的Eh取决于土壤溶液中氧化态和还原态物质的浓度比，而后者又主要取决于土壤中的氧化压或溶解态氧的浓度，这就直接与土壤通气性相联系。因此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。,注意：,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。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。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

8、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.,（二）、土壤通气性与肥力,土壤空气状况对植物生长的影响(一),土壤空气状况是土壤肥力的重要因素之一。不仅影响作物根系的发育和吸收能力，还影响土壤中的化学和生物化学过程、养分的形态及供肥能力。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。影响根系生长和吸收功能土壤空气中O2浓度小于910%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。呼吸作用产生的能量，是植

9、物吸收土壤水分和养分的能源。土壤通气良好时，O2的供应充足，根系进行有氧呼吸，释放的能量就多，有利于根系对养分的吸收。反之，根系厌氧呼吸释放的能量就少，养分吸收量则相应降低，尤其对钾和氮的吸收影响较大。,土壤空气状况对植物生长的影响(二),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。土壤通气性对氮素的影响很大。在嫌气条件下，只有固氮能力很弱的嫌气性固氮菌能够活动，而固氮能力很强的根瘤菌和好气性自生固氮菌的活动则受到抑制。影响植物生长的土壤环境状况植物生长的环境状

10、况主要包括土壤的氧化还原和土壤中有毒物质含量状况。土壤的通气性对土壤的氧化还原状况影响很大，通气良好时，土壤呈氧化状态，而通气不良则土壤呈还原状态。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。,（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三相容积比例关系，达到调节土壤空气孔隙和改善土壤通气状况的目的。深耕结合施用有机肥料；培育和创造良好的土壤

11、结构和耕层构造 壤总孔隙度和空气孔隙度，改善通气性。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。雨后、灌水后及时中耕，消除土壤板结，以利通气。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()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()

12、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）太阳的辐射能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0.3-4.0微米的波长内，这一范围的波长通常称为短波辐射。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

13、和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。,一、土壤热量的来源,（二）生物热,有机物质分解过程中释放出的热量，一部分被微生物利用，大部分用于提高土温。据估算，含有机质4的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.281096.99109KJ，相当于2050吨无烟煤的热量。,（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、土壤表面的辐射平衡及影响因素,（一）地面辐射平衡 太阳的辐射主要是短波辐射，太阳辐射透过大气层时，少部分直接到达地表的太阳能称为太阳直接辐射（I）。被大气散射和云层反射的太阳辐射能，通过多次的散射和反射，又将其中

14、的一部分辐射到地球上，一般称为天空辐射能或大气辐射（H）。太阳直接辐射和大气辐射都是短波辐射。,I+H之和为投入地面的太阳总短波辐射，又称为环球辐射,（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。同样，在中纬度地区，南坡比北坡接受的辐射能多，土温也比北坡高。坡度越陡，坡向的温差越大。坡向的这种差异具有巨大的生态意义和农业意义。,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

15、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；（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。,土壤热量平衡状况,土壤热量主要来源于太阳辐射能，其次是土壤微生物分解有机物释放的能量，地球内热和土壤贮水的潜能等，但这部分所占比重甚小，其数量比起太阳辐射能小得多，所以把太阳辐射能称为基本热源，而其他热源则称为一时性热源。土

16、壤热量的支出主要包括土壤水分蒸发、加热土体自身等而消耗。太阳辐射到达地表后，一部分能量被反射回大气层加热近地面空气，大部分能量则被土壤吸收，从而使表土温度升高。当表土温度高于下层土温时，热量将逐渐传人深层，称之为正值交换，而当地表接受不到或接受很少太阳辐射(如夜间或冬季)，而因地表土壤水分蒸发以及表土加热近地面大气而使表土温度低于下层土温，热量将由深层传向地表，称之为负值交换。这就是土壤中的热量交换或热流，它事实上就是土壤热量的收支平衡，决定着土壤热状况。,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

17、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。,第三节 土壤热性质一、土壤热容量(soil heat capacity,soil thermal capacity)土壤热容量是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）1所需要（或放出的）热量。C代表质量（重量）热容量(mass heat capacity)，单位是Jg-1-1。Cv代表容积热容量(volume heat capacity)，单位是（Jcm-3-1）。土壤的容积热容量（Cv）可用下式表示：Cv=mCvVm+oCvVo wCvVw+aCvVa(67)因空气的热容量

18、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)(68),请注意矿物质、有机质、水的两种热容量值！,土壤热容量的分类,土壤热容量依据单位土壤的计量形式(容积或质量)不同，分为容积热容量和质量热容量。土壤的容积热容量：是指单位容积的土壤，在温度升降1时所吸收或释放的热量，用C表示，常用单位J(cm3)。质量热容量：以单位质量土壤来计算，习惯上称之为重量热容或比热，用C表示，常用单位J(g)。,要注意C和CV之间的换算关系，对于均质均相的土壤而言 CV=rC(1)式中，表示某物质的比重(gcm3)。有些书上用 CV=C(2)来表示是不正确的，表

19、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）。,C和CV之间的换算关系,三相物质的热容量（一）,如果用容积热容量表示土壤热容C：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），其中V显然就是土壤容积含水量。在式(4)中，由于气体的热容量Cv很小，相对于土壤固相和液相来说可以忽略不计。，于是式(4)可写成

20、 CV=CvsVs+Cvw Vw(5)式中，Cs可类似用固相比重与质量热容量Cs换算。根据土壤容重()的定义与s之比即为Vs，由此可得：C=Cs+C,在式(5)中，Vw=v(土壤容积含水量)，根据式(1)Cvs=rsCs(6)rs=MS/VS=/VS Vs=/rs(7)将(6)、(7)代入式(5)得 Cv=Cs+Cvw v(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 Cv=0.85+4.18 v(9),三相物质的热容量（二）,由式(9)可以看出，土壤热容量随土壤容重（密度）和含水量的增加而增大，对于一

21、定土壤而言，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。一般情况下，沙土的含水量比黏土小，而空气含量相对较高，故其热容一般低于黏土。所以沙土的温度容易升降，常称其为“热性土”，而黏土则相反，常称之“冷性土”。,三相物质的热容量（三）,表6-1 不同土壤组分的热容量,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。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

22、。,土壤的导热性,土壤中的热传导:土壤吸收热量后，除了按热容增温外，同时还能够把吸收的热量传导给邻近的土壤，产生如同水流那样的热运动。在稳态下，土壤热传导符合付里叶热定律。土壤导热率：是指在单位沮度梯度下，单位时间通过单位面积土壤传导的热量，反映了土壤导热性质的大小。土壤是由三相物质组成的多孔体所以土壤导热率受土壤组成的影响很大。土壤中各组分的导热率:固相液相气相。影响土壤导热率的主要因素:土壤的松紧、土壤含水状况、土壤质地。土壤导热率与土温的变化：导热率低的土壤，如干燥的沙土，白天收入的热量不易下传，使受热的表层土沮升高较快，夜间降温时下层热量也不易上传，使表层土温下降也大，所以昼夜温差大。

23、而导热率高的土壤，如黏质土，土温变幅小，昼夜温差不大。,当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领，导热率就小。当土壤湿润时，土粒间的孔隙被水分占领，导热率增大。,土壤的松紧程度反映了土壤的孔隙状况，它是土粒之间排列的紧密程度，相同土质的土壤其紧实度不同，容重也就不同。疏松多孔而且干燥的土壤，其孔隙中充满了导热率极小的空气，热量只能从土粒间接触点的小狭道传导所以土壤导热率很低。而湿润的土壤因水代替空气充填孔隙或在土粒外形成水膜，增加了热量的传导途径故其导热率大（入图）。,在同样质地和密度的土壤中，从干燥湿润含水量增加，导热率也迅速升高，但随着含水量升高到一定程度，水几乎完全成为土壤热流的介质

24、媒体。这时导热率升高的速度逐渐降低。土壤质地越粗，导热率随含水量增加而变大的速率越快。这是由于在粗质的沙土中，若土粒的比表面积小，少量的水(或含水)即可在土粒之间形成水膜，使热流易于通过。而黏土中土粒比表面积大、孔隙多，需大量的补水才能完全形成水膜。,三、土壤的热扩散率 土壤热扩散率 是指在标准状况下，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。其大小等于土壤导热率/容积热容量之比值。,上式中:为土壤导热率，Cv为土壤容积热容量。,热扩散率小的土壤，如干土、沙质土等，其表层土温易于升降，温度变幅大，而热扩散率大的

25、土壤，如湿土、黏土质等，土温变幅小。,土壤热扩散率是指单位时间流入(或流出)单位容积土壤的一定热量，导致土壤温度升高或降低的程度，常用D表示，单位J(cm3s)。右图反映了土壤质地和含水率对D的影响。,第四节 土壤温度（Soil temperature)一、土壤温度的季节或月变化,土壤温度的变化,均质土壤的土壤温度的理想日变化。在相继的每一深度，温度峰是衰减的，并且随时间逐渐漂移，也就是说下层土壤温度的变幅比上层小，并且滞后一段时间。见下图,二、土壤温度的日变化,无冰冻地区土壤温度剖面随季节的变化：表层土温随季节的变幅要大于下层土壤，土层越深土温变幅越小。此外，下层土温的季节变化较上层有明显滞

26、后。,二、土壤温度的日变化,三、地形地貌和土壤性质对土温的影响(一）海拔高度对土壤温度的影响 在山区随着高度的增加，土温还是比平地的土温低。（二）坡向与坡度对土壤温度的影响 坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤水和植物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温度和水分状况可以促进早发、早熟。（三）土壤的组成和性质对土壤温度的影响 土壤颜色深的，吸收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅色的土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色的差异可以使不同土壤在同一时间的土表温度相差24，园艺栽培中或农作物的苗床中，有的在表面覆盖一层炉

27、碴、草木灰或土杂肥等深色物质以提高土温。,土壤温度与肥力,种子发芽出苗要求适宜的土温条件。土温对作物根最生长的关系很密切。一般根系在24时开始微弱生长，10以上根生长比较活跃，土温超过：3035 时根系生长便受到阻碍。夏季土温过高，常使根系组织加速成熟，甚至发生“烧根”现象或幼茎“烧伤”现象。冬季土温过低易产生冻害，并影响作物根系对水肥的吸收。适宜的土温能够促进作物的营养生长和生殖生长。各种作物营养生长最旺盛时期所要求的土温：小麦为1620，冬小麦为1216，玉米为2428，棉花为2535。大多数土壤微生物在1540范围内最活跃。土温过高或过低，其活动均受到抑制，并且影响土壤中有机质的矿质化和

28、腐殖化过程。硝化细菌和氮化细菌在土温2830时最活跃。,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。据北京农业大学实验站对棉花地的观测，结果表明：土壤空气中O2和CO2含量维持在21%左右，O2占其中85%以上时棉花根系发育良好；当O2占70%以上时,棉花根系能正常生长；而CO2占60%以上时，根系生长完全停止。,土壤空气氧浓度临界值(Vol%),土壤温度的调节,通常采取以下农业技术措施调节土壤温度：(1)根据土性合理选择种植作物 冷性土宜种大豆、甜菜、马铃薯、葱蒜等作物。热性土宜种棉花、玉米、谷子、高粱、小麦等作物。

29、冷性土春播宜晚、秋播宜早。热性土春播宜早、秋播宜迟。(2)翻耕松土(3)灌溉排水 夏季灌水可以降土温，排水可以提高土温。早春育秧时灌水、可以保温防寒；旱地冬前浇冻水、可起到保苗、杀虫防旱的效果。(4)施用有机肥料(5)广泛采用多种措施来调控土温 塑料地膜、温室栽培、阳畦、遮阴(6)喷洒土面保墒增温剂 有机合成酸渣剂、天然酸喷制剂、沥青制剂,1、土壤含水量愈低，其热容量越小，导热率愈低土壤升温越快()2、灌溉可降低土壤表层土的昼夜温差。()3、中耕松土，可降低土壤表层土的热容量，而促进表土升温。()4、一日之内土壤上下各层温度变化是同步的()5、土壤热量全部来源是太阳辐射。()6、土温的变化与土

30、壤肥力的高低无关。()7、土壤热容量随土壤容重和含水量的增加而增大()。8、土壤有机质含量越高，其热容量越大()9、土壤热扩散率随含水量的增加而增加，随热容量的增大而减小()。10、热扩散率表示土壤升温的难易，导热率表示是热传导的快慢。(),课堂测验快速判断！,思考题：一、解释名词 土壤呼吸 气体扩散 Eh 土壤通气性 土壤热容量 土壤导热率 土壤热扩散率 土壤热状况 二、问答题 1、土壤空气的组成有何特点?2、土壤通气 性对土壤肥力有何影响?3、土壤Eh的意义是什么?4、如何调节土壤的通气性?,5、调节土壤热状况有哪些？关键措施是什么?为什么?6、育秧时有牲畜粪内欧苗床促早发的机理是什么?7、在沙漠地带，为什么有“朝穿皮袄午穿纱，晚上围着火炉吃西瓜”的气候?8、粘土为什么叫“冷性土”?砂土为什么叫“暖性土”?9、入冬前小麦灌水可防冻，为什么?而春天灌返青水又不宜过早，又为什么?10、农民为什么说“锄下有水又有火”?11、地下水为什么冬暖夏凉?12.土壤热量来源有哪些？冬季如何提高土壤温度？,