《土壤学》第6章 土壤空气和热量

第6章土壤空气和热量 ■工.土壤空气与通气性 ■工.土壤热量与热特性 1.土壤空气与通气性 土壤空气的形态与组成 二、土壤空气运动与通气性 ■土壤通气性 ■泛指士壤空气与大气之间进行气体交换以及土壤内部不同层次之间 气体运动的能力。 ■士壤空气扩散方程 ■自由空间气体扩散方程Fick定律 Q=-A·(Do/β)(dpdx)dt (Do/β)·(dpdx) 式中q为气体扩散通量,Do自由空间气体扩散系数,dpx-力 势梯度 ■土壤气体扩散方程 ■理论上dQd=-A(D)·(△pL) 实际上dQdt-A·S(Do阝β)·(△p/Le)

第6章 土壤空气和热量 ◼ Ⅰ. 土壤空气与通气性 ◼ Ⅱ. 土壤热量与热特性 Ⅰ.土壤空气与通气性 ◼ 一、土壤空气的形态与组成 ◼ 二、土壤空气运动与通气性 ◼ 土壤通气性 ◼ 泛指土壤空气与大气之间进行气体交换以及土壤内部不同层次之间 气体运动的能力。 ◼ 土壤空气扩散方程 ◼ 自由空间气体扩散方程—Fick定律 ◼ Q= －A ·（Do/β ）（dp/dx)·dt ◼ q=－（Do/β ）·（dp/dx) ◼ 式中q 为气体扩散通量，Do—自由空间气体扩散系数，dp/dx—压力 势梯度 ◼ 土壤气体扩散方程 ◼ 理论上 dQ/dt=－A（D/β ）·（△ p/L） ◼ 实际上 dQ/dt=－A ·S（Do/β ）·（△ p/Le）

■式中A—土壤面积,S土壤孔隙度,L土壤气体扩散的直线距离, Le土壤气体扩散的实际距离p土壤气体扩散两侧的力差。 D/Do=S·L/Le 由于S<1,LLe<1,故D/Do<1,即土壤中气体扩散系数小于自由 空间的气体扩散系数。 ■影响土壤气体扩散的因素 土粒排列与土壤孔隙性 松排列 ■L=2r,Le=Tr,L/Le=0.636,S=0.47,则 ■Ds=0.47×0.636×Do 0.303Do ■紧排列 ■L=2rsin60°=1.732r,Le=2Tr3,L/Le=0.863,S=026,则 D=0.26×0.863×Do 0.205Do ■土壤孔隙度愈大,尤其是粗孔隙愈多,气体扩散通道愈大,扩散的实 际路径愈小,土壤气体的扩散系数也愈大 土壤质地和结构 土壤质地和结枃决定着上壤的孔隙数量及孔隙大小,因而对气体打散

◼ 式中A —土壤面积，S—土壤孔隙度，L—土壤气体扩散的直线距离， Le—土壤气体扩散的实际距离△ p—土壤气体扩散两侧的压力差。 ◼ D/Do=S ·L/Le ◼ 由于S＜1，L/Le ＜1，故D/Do ＜1，即土壤中气体扩散系数小于自由 空间的气体扩散系数。 ◼ 影响土壤气体扩散的因素 ◼ 土粒排列与土壤孔隙性 ◼ 松排列 ◼ L=2r, Le=π r, L/Le=0.636,S=0.47, 则 ◼ Ds=0.47×0.636×Do =0.303Do ◼ 紧排列 ◼ L=2rsin60°=1.732r, Le=2π r/3, L/Le=0.863, S=0.26, 则 ◼ Dj=0.26×0.863×Do =0.205Do ◼ 土壤孔隙度愈大，尤其是粗孔隙愈多，气体扩散通道愈大，扩散的实 际路径愈小，土壤气体的扩散系数也愈大。 ◼ 土壤质地和结构 ◼ 土壤质地和结构决定着土壤的孔隙数量及孔隙大小，因而对气体扩散

产生影响。砂质土和有良好结构土壤粗孔隙多,相对扩散系数(DDo) 也高。 土壤含水量 ■相对扩散系数隨含水量的增加而减少,因为通气孔隙度随士壤镶含水量 的增加而降低 D/Do=(S-Sm)·L/Le ■式中Sm充水孔隙度,(SˉSm)-实际参与扩散的士壤孔隙度 ■三、土壤通气性衡量指标 ■土壤空气容量 ■土壤空气容量-土壤孔隙度-土壤容积含水量 ■一般旱作要求土壤空气容量>1015% ■相对扩散系数 测定难度较大 ■土壤呼吸速率 ■单位面积土壤表面单位时间内扩散产生的二氧化碳量或单位面积土 壤表面单位时间内氧气消耗量。 ■土壤呼吸商(RQ) ■在恒温条件下,一定时间内单位面积土壤上释放的二氧化碳体积与消

产生影响。砂质土和有良好结构土壤粗孔隙多，相对扩散系数（D/Do） 也高。 ◼ 土壤含水量 ◼ 相对扩散系数随含水量的增加而减少，因为通气孔隙度随土壤含水量 的增加而降低。 ◼ D/Do=（S－Sm）·L/Le ◼ 式中Sm—充水孔隙度，（S－Sm）—实际参与扩散的土壤孔隙度 ◼ 三、土壤通气性衡量指标 ◼ 土壤空气容量 ◼ 土壤空气容量=土壤孔隙度-土壤容积含水量 ◼ 一般旱作要求土壤空气容量＞10-15% ◼ 相对扩散系数 ◼ 测定难度较大 ◼ 土壤呼吸速率 ◼ 单位面积土壤表面单位时间内扩散产生的二氧化碳量或单位面积土 壤表面单位时间内氧气消耗量。 ◼ 土壤呼吸商（RQ） ◼ 在恒温条件下，一定时间内单位面积土壤上释放的二氧化碳体积与消

耗的氧气体积之比 ■RQ=1,土壤通气良好,RQ30-40×108克厘米2分,且块根类 作物要求的ODR>豆科作物>本科作物,当士壤ODR<20×108 克厘米2分时,大部分作物生长受抑制,甚至停止生长 ■土壤氧化还原电位(Eh) aEh=Eo+(0.059/)×g氧化态]还原态 ■四、土壤通气性调控 ll土壤热量与热特性 一、土壤热量来源 二、土壤热量平衡 ■地面辐射平衡 太阳直达辐射(I): 占太阳总辐射能19% 云层散(反)射:占太阳总辐航能27%左右 ■大气云层吸收:占太阳总辐射能19%

耗的氧气体积之比。 ◼ RQ=1，土壤通气良好，RQ＜1，土壤通气不良。 ◼ 土壤氧扩散率（ODR） ◼ 单位时间扩散通过单位面积土层氧的克数或微克数。 ◼ 植物正常生长的土壤ODR一般＞30--40×10-8 克/厘米2·分，且块根类 作物要求的ODR ＞豆科作物＞禾本科作物，当土壤ODR＜20×10-8 克/厘米2·分时，大部分作物生长受抑制，甚至停止生长。 ◼ 土壤氧化还原电位（Eh） ◼ Eh=Eo + （0.059/n）×㏒[氧化态]/[还原态] ◼ 四、土壤通气性调控 Ⅱ.土壤热量与热特性 ◼ 一、土壤热量来源 ◼ 二、土壤热量平衡 ◼ 地面辐射平衡 ◼ 太阳直达辐射（I）： ◼ 占太阳总辐射能19% ◼ 云层散（反）射：占太阳总辐射能27%左右 ◼ 大气云层吸收：占太阳总辐射能19%

■大气散射:占太阳总辐雛能35%左右 天空辐射(H):被大气撒射、云层反射的太阳辐射能经多次散射和 反射后又以短液辐射方式辐射到地球表面的太阳间接辐射能。一般占 太阳总辐射能的28%。 ■环球辐射(H+H):辐射到地球表面的太阳直接和间接辐射(均属短 波辐射),占太阳总辐射能的47%,属地面短浪辐射能收入。 ■地面反射:到达地面的环球辐射,部分被地面反射,占47%α(α为 地面反射率),属地面短波皮辐射能支出。 ■地面辐射(E):地面吸收太阳环球辐射后温度升高而向近地表大气 发岀长波辐射,属地面长波辐射能支出。 ■逆辐射(G):近地面大气吸收地面辐射后温度升高而向地表发岀部 分长波辐射,属地面长瀇辐射能收入 ■地面辐射平衡(R)式 ■R=(HH)-(HH)xαH(GE)=(HH)×(1-a)r 式中rEG ■土壤热量收支平衡(Q) Q=R±P士LE±B ■R_辐射平衡,P土壤与近地面空气湍流(乱流)热交换,LE-蒸

◼ 大气散射：占太阳总辐射能35%左右 ◼ 天空辐射（H）：被大气散射、云层反射的太阳辐射能经多次散射和 反射后又以短波辐射方式辐射到地球表面的太阳间接辐射能。一般占 太阳总辐射能的28%。 ◼ 环球辐射（I+H）：辐射到地球表面的太阳直接和间接辐射（均属短 波辐射），占太阳总辐射能的47%，属地面短波辐射能收入。 ◼ 地面反射：到达地面的环球辐射，部分被地面反射，占47%α （α 为 地面反射率），属地面短波辐射能支出。 ◼ 地面辐射（E）：地面吸收太阳环球辐射后温度升高而向近地表大气 发出长波辐射，属地面长波辐射能支出。 ◼ 逆辐射（G）：近地面大气吸收地面辐射后温度升高而向地表发出部 分长波辐射，属地面长波辐射能收入。 ◼ 地面辐射平衡（R）式 ◼ R=[（I+H）-（I+H）×α ]+（G-E）= （I+H）×（1-α ）- r 式中r=E-G ◼ 土壤热量收支平衡（Q） ◼ Q=R±P±LE±B ◼ R—辐射平衡，P—土壤与近地面空气湍流（乱流）热交换，LE—蒸

散(土壤水分蒸发和植物蒸腾作用)耘热,B表层士壤与下层壤 之间的热交换 ■一般情况下,白天Q为正值,表明壤升温,晚上Q为负值,表吐士 壤降温。 ■三、土壤热特性 ■土壤热容量及其影响因素 质量热容量(Cm)和容积热容量(Cv) ■单位质量(或容积)的土壤温度每毎升高或降低1℃所需要吸收或訕出 的热量,分别称为质量热容量和容积热容量 a Cm=dQ/MdT Q=CmM·(T2T m Cv=dQ/dt Q=Cv.V (T2-T1) a Cy=Cm. Db ■质量热容量单位Jg℃,容积热容量单位J/cm3·℃C。 ■影响土壤热容量的因素 ■从土壤的三相物质组成来看,土壤热容量的影响因素主要是土壤水 分,其次是士壤有机质和矿物质,士壤空气对热容量的影响很小 “砂土是热性土,昼夜温差大,粘士是冷性土,昼夜温差小”的根本原 因主要是由于砂士含水量一般小于粘士,故砂土的热容量一般也小于 粘土

散（土壤水分蒸发和植物蒸腾作用）耗热，B—表层土壤与下层土壤 之间的热交换。 ◼ 一般情况下，白天Q为正值，表明土壤升温，晚上Q为负值，表明土 壤降温。 ◼ 三、土壤热特性 ◼ 土壤热容量及其影响因素 ◼ 质量热容量（Cm）和容积热容量（Cv） ◼ 单位质量（或容积）的土壤温度每升高或降低1℃所需要吸收或放出 的热量，分别称为质量热容量和容积热容量 ◼ Cm=dQ/M·dT Q=Cm·M·(T2-T1) ◼ Cv=dQ/V·dt Q=Cv·V·(T2-T1) ◼ Cv=Cm·Db ◼ 质量热容量单位J/g·℃, 容积热容量单位J/cm3·℃。 ◼ 影响土壤热容量的因素 ◼ 从土壤的三相物质组成来看，土壤热容量的影响因素主要是土壤水 分，其次是土壤有机质和矿物质，土壤空气对热容量的影响很小。 ◼ “砂土是热性土，昼夜温差大，粘土是冷性土，昼夜温差小”的根本原 因主要是由于砂土含水量一般小于粘土，故砂土的热容量一般也小于 粘土

Cy=CysVs+ CywVw+CvaVa=2.2V5+4.2 Vw+0. 001Va=2.2 Vs+4. 2Vw 式中Ⅴs、Ⅴw和Va分别为单位体积土壤中固相、水分和气相所占的体 积%。 ■土壤导热率及其影响因素 ■土壤导热率 ■单位厚度(lcm)土层,温差为1℃C时,每秒钟经单位断面(1cm2) 通过的热量焦耳数。单位为J/cm2s:℃,是土壤导热性的衡量指标 A=(Q/AT)/(tr-t2)/d 土壤导热率单位温度梯度下的热通量。 ■影响土壤导热率的因素 ■土壤矿物质的导热率>土壤腐殖质>土壤水分>土壤空气。由于土壤 矿物质相对稳定,而土壤水分和空气则总是处于变动状态,故土壤导 热率主要受土壤含水量和孔隙数量的影响。 ■土壤热扩散率及其影响因素 ■土壤热扩散率 n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, 每秒钟流入1cm壤断面面积的热量,使单位体积(1cm3)土壤所 发生的温度变化。单位为cm/s,是衡量在一症热量供给下士镶温廚升

◼ Cv=CvsVs+CvwVw+CvaVa=2.2Vs+4.2Vw+0.001Va= 2.2Vs+4.2Vw 式中Vs、Vw和Va分别为单位体积土壤中固相、水分和气相所占的体 积%。 ◼ 土壤导热率及其影响因素 ◼ 土壤导热率 ◼ 单位厚度（1cm）土层，温差为1℃时，每秒钟经单位断面（1 cm2 ） 通过的热量焦耳数。单位为J/ cm2 ·s·℃，是土壤导热性能的衡量指标。 ◼ λ =（Q/AT）/[（t1- t2）/ d] 土壤导热率—单位温度梯度下的热通量。 ◼ 影响土壤导热率的因素 ◼ 土壤矿物质的导热率＞土壤腐殖质＞土壤水分＞土壤空气。由于土壤 矿物质相对稳定，而土壤水分和空气则总是处于变动状态，故土壤导 热率主要受土壤含水量和孔隙数量的影响。 ◼ 土壤热扩散率及其影响因素 ◼ 土壤热扩散率 ◼ 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， 每秒钟流入 1 cm2土壤断面面积的热量，使单位体积（1 cm3）土壤所 发生的温度变化。单位为cm/s，是衡量在一定热量供给下土壤温度升

高快慢和难易的指标。 D=1/Cv ■影响土壤热扩散率的因素 ■土壤热扩散率取决于土壤导热率和热客量,鴣影响土壤导热率和热容 量的因素均会影响土壤热扩散率,由于土壤固相物质较稳定,故土壤 热扩散率也主要决定于士壤含水量和孔隙度。 ■作业3 ■已知某壤比重为2.65,重量含水量为15%,总孔隙度为50%,该士壤 表面温度为25°℃,5厘米深处温度为20℃C,土镶导温率为6.15×10厘 米秒,假设该土壤一天内十温保持不变,求该土壤一天中每平方厘米 从土面流入5厘米深处的热量。 ■四、土壤温度变化规律 ■土壤温度的日变化规律 ■土壤温度日变化呈正弦曲线变化规律。 ■土壤温度日变化以表层最明显,随深度的增加,士温日变化逐渐减咸弱, 至某一深度存在一恒温层。 ■随深度的增加,不同土层中日最高温出现的时间存在后移现象 ■土壤中日最高温通常出现在中午,而日最低温通常出现在凌晨

高快慢和难易的指标。 ◼ D=λ /Cv ◼ 影响土壤热扩散率的因素 ◼ 土壤热扩散率取决于土壤导热率和热容量，故影响土壤导热率和热容 量的因素均会影响土壤热扩散率，由于土壤固相物质较稳定，故土壤 热扩散率也主要决定于土壤含水量和孔隙度。 ◼ 作业3 ◼ 已知某土壤比重为2.65,重量含水量为15%，总孔隙度为50%，该土壤 表面温度为25℃，5厘米深处温度为20℃，土壤导温率为6.15×10 -3厘 米/秒，假设该土壤一天内土温保持不变，求该土壤一天中每平方厘米 从土面流入5厘米深处的热量。 ◼ 四、土壤温度变化规律 ◼ 土壤温度的日变化规律 ◼ 土壤温度日变化呈正弦曲线变化规律。 ◼ 土壤温度日变化以表层最明显，随深度的增加，土温日变化逐渐减弱， 至某一深度存在一恒温层。 ◼ 随深度的增加，不同土层中日最高温出现的时间存在后移现象。 ◼ 土壤中日最高温通常出现在中午，而日最低温通常出现在凌晨

■土壤温度的年变化规律 土壤温度年变化也呈正弦曲线变化规律。 ■随深度的增加,不同土层中月均最高温出现的时间存在后移现象。 ■土壤中月均最高温-舭出现在夏季,而月均最低温通常出现在冬季。 ■随深度的増加,土壤温度年变化趋向不明显。 五、土壤热量调控

◼ 土壤温度的年变化规律 ◼ 土壤温度年变化也呈正弦曲线变化规律。 ◼ 随深度的增加，不同土层中月均最高温出现的时间存在后移现象。 ◼ 土壤中月均最高温一般出现在夏季，而月均最低温通常出现在冬季。 ◼ 随深度的增加，土壤温度年变化趋向不明显。 五、土壤热量调控