土壤学——国家级精品课程6

第六章土壤空气和热量状况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；了解土壤热量的来源，掌握土壤的三个热参数，理解土壤温度变化的影响因素。1.土壤空气（重点）2.土壤热量3.土壤热性质（重点）4.土壤温度幻灯，动画演示；案例分析；主要内容(重点)教学目标与要求教学方式与手段课时数：2课时课时安排与进度第六章土壤空气和热量状况第六章土壤空气和热量状况第一节土壤空气土壤空气的组成土壤空气的运动土壤空气与土壤肥力第一节土壤空气§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O2CO2N2其他气体近地面的大气20.940.0378.050.95土壤空气18.0-20.030.15-0.6578.8-80.24－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4．土壤空气中含有较高量的还原性气体（CH4等）土壤空气组成显然不是固定不变的。第一节土壤空气覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%)第一节土壤空气深度/cm覆膜露地05-0107-2905-0107-29CO2O2CO2O2CO2O2CO2O20－－0.915－－0.0560.056－50.15820.4971.00620.4390.7020.6490.21120.653100.42020.3971.06020.2750.10420.5130.27920.668150.25020.4860.86519.9530.13420.8570.38520.506200.48320.4781.34820.0600.15020.1210.40620.634300.57319.8651.15920.0050.31320.1811.15720.362500.92219.9291.52019.6980.40220.1981.28119.873平均0.61520.1241.26819.9530.26920.3290.84720.022土壤空气的变化规律：第一节土壤空气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.注意：①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。②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。③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.第一节土壤空气二、土壤中的空气流第一节土壤空气（一）对流对流，又称质流，驱动力是总气压梯度，它使气流冲从高压区向低压区运动。22//xtP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（soilairdiffusion)第一节土壤空气二、土壤中的空气流dxdcDqs（二）土壤空气扩散扩散（soilairdiffusion)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.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。第一节土壤空气二、土壤中的空气流（二）土壤空气扩散扩散（soilairdiffusion)第一节土壤空气二、土壤中的空气流不同充气孔隙度下草甸褐土透气率K值(北京农业大学1989)基质势(hPa)含水率(%)充气孔度(%)K(m/s)-9.840.2414.0612-9825.4728.83133-31023.0731.23272－054.30682（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。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2．土壤通气量(soilairflux)•土壤通气量是指在单位时间内，单位压力下，进入单位体积土壤中的气体总量（CO2和O2），常用单位是毫升厘米-2秒-1。土壤通气量的大小标志着土壤通气性好坏，通气量大则土壤通气性良好。第一节土壤空气三、土壤通气性(soilaeration)第一节土壤空气三、土壤通气性(soilaeration)（一）、土壤通气性的定义和指标3．土壤氧化还原电位（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。][][059.0还原态氧化态LognEEoh（二）、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第一节土壤空气三、土壤通气性(soilaeration)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。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()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()。第一节土壤空气（一）太阳的辐射能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，一部分被云层和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。第二节土壤热量（soilheat）一、土壤热量的来源（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。（三）地球内热第二节土壤热量（soilheat）一、土壤热量的来源（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。第二节土壤热量（soilheat）二、土壤表面的辐射平衡及影响因素I+H之和为投入地面的太阳总短波辐射，又称为环球辐射第二节土壤热量（soilheat）二、土壤表面的辐射平衡及影响因素（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。第二节土壤热量（soilheat）二、土壤表面的辐射平衡及影响因素（二）影响地面辐射平衡的因素3、地面有效辐射•影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。第二节土壤热量（soilheat）二、土壤表面的辐射平衡及影响因素第二节土壤热量（soilheat）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。第二节土壤热量（soilheat）三、土壤的热量平衡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(massheatcapacity)，单位是Jg-1℃-1。Cv代表容积热容量(volumeheatcapacity)，单位是（Jcm-3℃-1）。请注意矿物质、有机质、水的两种热容量值。土壤的容积热容量（Cv）可用下式表示：Cv=mCv·Vm+oCv·Vo＋wCv·Vw+aCv·Va(6－7)因空气的热容量很小，可忽容不计，故土壤热容量可简化为：Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw(Jcm-3C-1)(6－8)第三节土壤热性质一、土壤热容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)第三节土壤热性质一、土壤热容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)6－3土壤不同组分的热容量土壤组成物质重量热容量（Jg-1c-1）容积热容量(Jcm-3c-1)粗石英砂0.7452.163高岭石0.9752.410石灰0.8952.435Fe2O30.682－Al2O30.908－腐殖质1.9962.515土壤空气1.0041.255×10-3土壤水分4.1844.184表6-1不同土壤组分的热容量要注意C和CV之间的换算，对于均质的土壤而言∶CV=r·C(1)有些书上用CV=р·C(2)来表示是不正确的，р表示土壤容重，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）。如果用容积热容量表示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）。第三节土壤热性质一、土壤热容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)在式(4)中，由于气体的热容量Cv很小，相对可以忽略，于是式(4)可写成∶CV=Cvs·Vs+Cvw·Vw(5)在式(5)中，Vw=θv(土壤容积含水量)，根据式(1)Cvs=rs·Cs(6)rs=MS/VS=ρ/VSVs=ρ/rs(7)将(6)、(7)代入式(5)得Cv=ρCs+Cvw·θv(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=0.85ρ+4.18·θv(9)第三节土壤热性质一、土壤热容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)由式(9)可以看出，土壤热容量色土壤容重和含水量的增加而增大，对于一定