第五讲土壤水空气和热量

第四节、土壤空气2.4土壤空气土壤空气是土壤的重要组成,也是土壤的肥力因素之一。2.4.1土壤空气的组成土壤组成的特点如下:（1）土壤空气中的二氧化碳含量比大气高十至数百倍；（2）土壤空气中氧的含量低；（3）土壤空气中的相对湿度比大气高；（4）土壤空气中有时含有还原性气体；（5）土壤空气数量和组成经常处于变化之中。2.4.2土壤通气性土壤通气性泛指土壤空气与大气进行交换、不同土层之间气体扩散或交换的能力。（一）土壤通气性的重要意义其重要性在于补充氧气。如果没有大气氧气的补充，土壤中的氧气将迅速被耗尽，缺氧将严重影响根系的正常生长，影响好气微生物的活动，从而影响土壤养分的有效化。一些有毒的还原性物质的累积将毒害根系，严重时会使植物死亡。因此，土壤必须具有一定的通气性。（二）土壤通气性的机制1、气体扩散指某种气体由于分压梯度而产生的移动。这是土壤与大气进行气体交换的主要形式。土壤呼吸:O2（大气）土壤CO2（土壤）大气其原理服从气体扩散公式：F=-D·dc/dx式中：F是单位时间气体扩散通过单位面积的数量；dc/dx是气体浓度梯度或气体分压梯度；D是扩散系数，负号表示其从气体分压高处向低处扩散。由上式可知，气体分压梯度是引起土壤空气扩散的主要动力。2、气体整体流动由于土壤空气与大气之间存在总压力梯度而引起的气体运动，称为整体流动。温度、气压、降水、灌溉水的挤压等都可以引起气体的整体流动。4.3土壤空气与作物生长的关系（一）土壤空气影响种子萌发和根系的发育①种子萌发需水分与氧气、氧气不足烂种；②根系生长需一定氧气，氧气含量低不长新根，氧气少烂根；③不同作物缺氧的忍耐力不同。（二）土壤空气影响土壤养分状况①氧气多少影响矿化，影响养分供给；②影响根对养分吸收，如玉米缺氧对养分吸收能力依下列次序递减：K＞Ca＞Mg＞N＞P；③影响养分存在形态，一般氧化态养分易被作物吸收利用。（三）土壤空气影响植物抗病性通气不良产生还原性气体H2S、CH4、H2等会严重危害作物生长，CO2过多致使土壤酸度增高，致使霉菌发育，植株生病4.4土壤通气性的衡量比较使用的衡量指标有二：（1）土壤氧化还原电位；（2）土壤的通气孔隙度（土壤容气量）•1、土壤通气孔隙度（%）•一般非毛管孔隙度15-20%为良好，＜10通气不良，10-15中等。•2、土壤氧化还原电位•在土壤中，通气条件越好，Eh值越大，土壤的氧化性越强。•如水分含量较高，Eh就小，土壤处于还原状态。•一般旱地土壤Eh值在200-700mv之间，养分供应正常；•Eh＞700mv土壤处于完全氧化状态，有机质迅速分解，铁、锰等微量元素氧化析出，植物易患缺绿症；•Eh＜200mv土壤进行强烈还原作用，硝酸盐开始消失，出现大量NO2-和Mn2+，严重影响作物生长。•土壤氧化还原状态可直接或间接影响土壤养分转化和养分形态及其对作物的有效性。•铁、锰等变价金属元素，当土壤处于氧化态时（即Eh较高），主要以三价铁存在，运动性差，不能被植物吸收利用；Eh低时，以溶解度较大的二价铁存在，对植物有效性高。•金属元素如果以氧化态存在，则有效性降低。•土壤含水量少，呈氧化态时、有机质矿化速率较快，养分释放快，不利于有机质保存。•土壤含水量多，呈还原态时、有机质矿化速率较慢，养分释放慢，还原性物质积累过多，不利于植物生长。•直接测定这些物质的绝对数量十分困难，一般都通过测定土壤溶液中的氧化还原电位（ＥＨ）来衡量土壤的氧化还原状况。）（还原态氧化态mv][][logn59EEh04.5土壤通气性的调节土壤通气性能取决于土壤中通气孔隙的大小和多少。从植物生长对土壤环境条件的要求来看，要求土壤中孔隙大小分配适当，即能保证土壤有适量的水分，又要有足够的空气以保证植物对水分和空气的需求。4.5土壤通气性的调节增施有机肥料质地粘重，通气孔隙数量不足土壤过湿，表土板结地势低洼、地下水位过高，土壤水分过多•措施：排水中耕、松土第五节土壤的热性质☻一、土壤的热量来源☻二、土壤的热特性☻三、影响土壤热状况的因素及其调节热量对土壤微生物活动，植物的生长、土壤物理、化学过程均有较大影响。因此，土壤热量是土壤肥力四大要素之一。一土壤温度与作物生长的关系一、土壤热量的来源•①太阳辐射能（主要来源）；这是土壤热量的最主要来源，也是地球上一切能量的最初来源，太阳辐射能是极其巨大的，达到地球的只是太阳总辐射能的很小一部分，大约是20亿分之一。•②生物热：微生物分解有机质是一个放热过程，释放出的热量，一部分被微生物自身利用，大部分用来提高土温。•③地热：地球内部的岩浆通过传导作用达到地表热量，地热对土壤温度的影响极小，但地热异常地区，比如温泉、火山口附近，地热对土温的影响就比较大。二、土壤的热量平衡三、土壤热量平衡土壤热量平衡也就指土壤热量的收支情况。土壤表面吸收的太阳辐射能，部分以太阳辐射形式返回大气，部分消耗于土壤水分的蒸发，部分向下层土壤传导，剩余的热量用于提高土壤温度。土壤吸收的太阳辐射能地表辐射水分蒸发向下传导提高土温•Q=E－Q1－Q2－Q3•Q→用于土壤增温的热量•Q1→地表辐射损失的热量•Q2→土壤水分蒸发所消耗的热量•Q3→其它方面的热量损失•E→土壤表面获得的太阳辐射能•在一定的地区E值一般是固定的，•所以在Q1、Q2、Q3等方面的•支出减少，土壤温度增加，•否则土温下降。四、土壤热性质土壤接受热量后，土温升降的速率及变化幅度主要决定于土壤的热性质，土壤的热性质主要包括热容量、导热性与导温性。1、土壤热容量单位重量或单位体积的土壤，温度每升高或降低1ºC时所吸收或放出热量的焦耳数叫做土壤热容量。四、土壤热性质以重量为土壤计量单位时，叫重量热容量，用C表示，单位为J/Kg·K。用容积为土壤计量单位时，叫容积热容量，用Cv表示，换算：Cv=C×ρρ:土壤容重土壤热容量的数值，与土壤三相物质组成比例以及各相的热容量有密切关系。土壤组成土壤空气土壤水分砂粒和粘粒有机质重（质）量热容量[J(g·K)-1]容积热容量[J(cm3·K)-1]1.00480.00134.18684.18680.75—0.962.05—2.432.012.51在三相组成中，土壤水分的热容量最大，土壤空气的热容量最小，矿物质和有机质的热容量介于两者之间（较稳定）。土壤热容量的大小主要取决于土壤水分，土壤愈潮湿（水多气少），土壤热容量大，温度变化愈慢；土壤愈干燥（水少气多），土壤热容量小，土壤温度变化愈大。2、土壤导热率土壤热量由热量高处向热量低处传导。土壤传导热量的性能即土壤导热性。导热率是指单位温度梯度下，单位时间通过单位面积土壤传导的热量，单位J/cm.s.℃土壤热的传导总是由土温高处向土温低处。土壤的导热率也和土壤的三相物质比率有关。表6－16土壤各组成成分的导热率土壤组成矿物质水分空气干燥土壤导热率[cal/（cm·s·℃）]0.004－0.0050.00140.000050.0003－0.0005矿物质的导热率最大，约为空气导热率100倍，其次是土壤水分，比空气大25倍，土壤空气的导热率最小。影响土壤导热率大小因素是：①土壤含水量；②土壤松紧度和孔隙状况。•当土壤干燥时，孔隙被空气所占领，导热率就低。•当土壤湿润时，孔隙被水所占领，导热率增大。3.土壤导温性（土壤热扩散率）土壤温度的变化决定于土壤的导热性和热容量。那么在一定的热量供给下，能使土温升高的快慢和难易则决定于其热扩散率。指在标准状态下，在土层垂直方向上1cm的距离内1℃的温度梯度下，每秒流入1cm2土壤截面的热量。用K表示。热扩散率可以用来衡量土温的变幅。土壤热扩散率与导热率和热容量的关系如下：土壤热扩散率的大小反应土壤导热引起土壤温度变化性能的强弱，影响因素主要也是土壤含水量，干土易升温，湿土不易升温。λK=Cv3.土壤导温性（土壤热扩散率）三、土壤温度变化•土壤热量基本来源是太阳辐射，由于太阳辐射有周期性的日、年变化，••1.•土表日间增热和夜间冷却所引起的土温昼夜变化,称土温日变化。•2.•(1)土表温度的最高值出现在13-14时左右,最低值出现在早晨5-6点•(2)土温的日变化幅度以表土最大，愈向深层变幅愈小，到40cm处已没有太大的变化。•(3)白天表层土温高于底层,晚间底层土温高于表层。（二）土壤温度的年变化•1.••2.•(1)土表的月平均最高温度在七月或八月，最低在一月或二月。•一月(二月)至七月(八月)为升温阶段，七月(八月)至次年一月(二月)降•(2)随着土层深度的增加,土温的年变幅逐渐减小以至不变，最高、最•(3)在升温阶段，表土温度高，底土温度低，热量由土表向下传导；在降温阶段，则相反。四、影响土壤温度变化的条件•1.纬度•高纬地区，由于太阳照射倾斜度大，地面上单位面积上接受太阳辐射能就少，土温低。而在低纬度地区，太阳直射在地面上，单位面积上所接受的太阳能较多，故土温较高。•2.地形•高山大气流动频繁，气温较平地低。原因是土壤接受辐身能虽强，但由于•3.•一般南坡、东南及西南坡照射时间长，太阳高度角大，受热多，土温高。•4.•透明度好，白天地面吸收辐射能较多，土温上升快，夜间土壤散热也多，•5.•地面有覆盖时，土温变化小。(原因是白天可阻止太阳直接照射,夜间可减少地面散热)•1.••2.•砂土孔隙多，热容量和导热率都低，故增温冷却剧烈，群众称之为“热性土”，所以早春砂性土可较一般土地提早播种。•粘土孔隙少，热容量和导热率都大，故增温冷却缓和，群众称之为“冷性土”•3.•疏松多孔的土壤，增温冷却剧烈。紧实少孔的土壤增温冷却缓和。四、土壤水气热的调控一、土壤水、气、热之间的相互关系1、土壤水、气之间的相互关系水多气少，水少气多2、土壤水、热之间的相互关系含水量高时，土壤热容量大，土温不易变化，稳温。3、土壤热量与空气之间的关系土壤空气的扩散率随温度的升高而增加，土壤温度通过影响微生物的活动，间接地影响土壤空气的组成。二、土壤水、气、热的调控（一）加强农田基本建设，改善水、气、热状况（1）完善田间排灌系统（2）建立防护林带（3）培肥土壤：改善结构，水气并存（二）合理排灌，控制水分，调节气、热---早春秧田“日排夜灌”，有利于保温，防止冻害；---炎夏“日灌夜排”，可降低土温---稻田管理中有“浅水灌溉”、“排水晒田”等措施，有利于调节土温，兼有调节空气的效果（三）合理耕作、轮作、蓄水、通气、增温1、深耕：使耕层疏松，减弱毛管作用，增大孔隙，因此增加透水蓄水能力，减少土壤蒸发，改善土壤通气状况，降低土壤热容量和导热率，有利于土壤增温2、中耕中耕可以疏松表土，切断毛管，减少蒸发，有助于表土升温3、轮作和垄作---水旱轮作，可以改善土壤通气状况---垄作相对降低了地下水位，增加了土壤接受阳光的表面积，增加土壤蒸发，有利于土壤升温，是低湿地改善水、气、热状况的有效措施之一。（四）地面覆盖常用的有塑料薄膜、草帘、槁杆等。覆盖可以提高土温，减少蒸发。（五）特殊措施设立风障，建立温室、使用土面增温剂等。