土壤学

第六章土壤空气和热量状况SoilAirandHeatRegimeContents:Soilair土壤空气Soilheat土壤热量Soilheatproperties土壤热性质Soiltemperature土壤温度第一节土壤空气SoilairThegaseousconstituentsofsoilairarederivedlargelyfromtheatmosphere,therespirationandmetabolismofsoilorganisms,andfromtheevaporationofsoilmoisture.Soilairiscontinuouswiththeatmosphere,ensuresthefreemovementandexchangeofgases.土壤空气来源：近地表大气土壤微生物的呼吸和代谢土壤水分的蒸发一、土壤空气的组成SoilaircompositionO2(%)CO2(%)N2(%)其它气体(%)atmosphere20.940.0378.050.98soilair18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98Maindifferentbetweensoilairandatmosphere：CO2contentinsoilairwashigherthanthatinatmosphere.O2contentinsoilairwaslowerthanthatinatmosphere.Vaporcontentinsoilairwashigherthanthatinatmosphere.Soilairiscomposedofmorereducinggases.土壤空气与大气组成的差别（volume%)soilaircontent(v%)=totalporosity(%)-soilwatercontent(v%)土壤空气的组成含量不是固定不变的，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。Soilaircontent土壤空气含量SoildepthContentCO2O2ThemovementandexchangeofsoilgasesThegasesmovealonggradientsofpartialpressure.Oxygenwilltendtomigratefromtheatmospherewhereitspartialpressureishighintothesoilwhereitislow.Carbondioxideandwatervapourwilltendtomigratefromthesoilintotheatmosphere.Movementofgasesmayoccurbydiffusion,massfloworindissolvedform.Thebalancebetweenlevelsofoxygenandcarbondioxideinsoilairdependslargelyontherateofrespirationofsoilorganismsandonthediffusivitycharacteristicsofthesoil.二、土壤气体的运动和交换总压力梯度的产生：气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。土壤空气对流方程：空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大Massflow质流（对流）土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动。对流方向：高压区低压区qv=-(k/η)▽pQv—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）“-”—表示方向k—通气孔隙通气率Η—土壤空气的粘度p—土壤空气压力的三维（向）梯度在大气和土壤之间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。Diffusion扩散扩散过程气相扩散液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通过不同厚度水膜的扩散扩散公式——Ficklaw：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；“-”—表示方向D--扩散系数(面积/时间)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。qd=Ddc/dxD0--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。D=D0·S·l/leDiffusioncoefficientD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)。Influencedfactorsofsoilairmovementandexchange影响土壤空气运动和交换的主要因素气象因素土壤因素农业措施气温、气压、风力和降雨等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)。耕作、施肥、灌水等土壤空气与植物生长Effectofsoilaironplantgrowth土壤空气与根系若土壤空气中O2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。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5～20％，则为致死的含量。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。三、土壤空气与生态和环境的关系土壤空气与种子萌发种子萌发，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。土壤空气状况与植物抗病性（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。（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）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。土壤空气与微生物活性Effectofsoilaironmicro-organismactivity土壤空气影响微生物活动，影响有机质转化。通气良好利于有机质矿质化。根系吸收养分，需通气良好条件下的呼吸作用提供能量。土壤空气与大气痕量温室气体的关系Relationshipbetweensoilairandgreenhousegasesinatmosphere大气中痕量温室气体（CO2、CH4、N2O、氯氟烃化合物）导致的气候变暖，是人们关注的重大环境问题。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(source)。土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇(sink)。misssink——未探明汇四、土壤通气指标Indexofsoilaeration总孔隙度50～55%或60%，其中通气孔度要求8～10%，最好15～20%。使土壤有一定保水能力又可透水通气。单位时间通过单位断面的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。土壤孔隙度Soilporosity土壤呼吸强度Soilrespiratoryintensity土壤透水性Soilfiltration土壤氧化还原电位Soilredoxpotential第二节土壤热量Soilheat一、土壤热量来源Sourcesofheat土壤热量的最根本来源。太阳能的99%为短波辐射。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，而土壤只吸收其中一少部分。微生物分解有机质过程是放热过程。释放的热量一部分作为微生物能源，大部分用来提高土温。地壳传热能力差，对土壤温度影响极小，可忽略不计太阳辐射能Solarradiantenergy生物热Biologicalheat地热Undergroundheat二、土壤表面的辐射平衡及影响因素Radiationbalanceonsoilsurfaceanditsinfluencefactors地面辐射平衡Radiationbalance太阳直接短波辐射(I)地面短波反射(I+H)×α天空(大气)短波辐射(H)地面长波辐射E逆辐射(长波辐射)(G)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)×α]+(GE)=(I+H)(1α)rI+H——投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射(I+H)×α——被地面反射出的短波辐射，(α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；收入支出SunIGErH大气吸收云层散射大气散射云层吸收地面辐射平衡的影响因素Influencefactors太阳的辐射强度Solarradiationintensity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。地面的反射率Reflectionratioofsoilsurface太阳入射角、日照高度、地面状况，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Availableradiationofsurface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。三、土壤的热量平衡Heatbalanceofsoil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。土壤热量收支SoilheatbudgetS——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；Q——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=R±P±LE+Q一、土壤热容量Heatcapacityofsoil重量热容量(Cp)：单位重量土壤温度升高1℃所需的热量(J/g·℃)。容积热容量(Cv)：单位容积土壤温度升高1℃所需的热量(J/cm3·℃)。土壤组成分复杂，每种成分的热容量都不一样:Cv=Cp×soilbulkdensity第三节土壤热性质SoilheatpropertiesSoilmineralparticle:mCv=1.9J/cm3·℃Soilorganicmatter:oCv=2.5J/cm3·℃Soilwater:wCv=4.2J/cm3·℃Soilair:aCv=1.26×10-3J/cm3·℃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、水和空气体积百分数。气体的热容量可忽略，公式可简化为：影响土壤热容量组分中，土壤水有决定性作用。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；Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw[J/(cm3·℃)]Cv=mCv·Vm+OCv·Vo+wCv·Vw+aCv·Va土壤热容量可用三相物质热容量和组成比例计算：固相中，腐殖质热容量与其他成分相比有明显优势，其他各组分热容量彼此差异不大，所以土壤热容量大小主要决定于土壤水分多少和腐殖质含量。但是有机质含量比较固定，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。二、土壤导热率Heatconductivityofsoil土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。单位厚度(1cm)土层，温差1℃，每秒经单