第四章4 土壤气、热

华中农业大学,第四章 土壤肥力,上节回顾,土壤水分存在形态,土壤水分的有效性（重点）,土壤含水量的表示方法和测定方法（重点 难点）,土壤水的能量状态,（重点 难点）,土壤水分运动（重点 难点）,土壤水的田间循环过程,土壤水分保蓄和调节,土壤水的类型,吸湿水,(,紧束缚水,),吸附水,(,束缚水,),毛管水,重力水,膜状水,(,松束缚水,),受土壤吸附力作用而保持,受毛管力作用而保持,受重力作用,土壤水分存在形态,毛管上升水,毛管悬着水,1,、,质量含水量（率）,（,mass water content,）,%,m,=,（土壤水质量,/,干土质量）*,100%,2,、,容积含水量（率）,（,volumetric water content,）,V%,v,=,（土壤水体积,/,土壤总容积）*,100%,土壤含水量的,表示方法,和测定方法,容积含水量,=,质量含水量*容重,Soil water storage capacity,土壤储水量,water depth,水深,（,Unit:mm,）,优点,:,与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和互相换算。,Dw,(mm)=,v,%,土层厚度,作用,:,与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容和灌水量。,Vw,(m3/ha),=,D,w,(mm)1/100010000=,10,D,w,Storage capacity,容积水容量,(Unit:m,3,/ha),土壤含水量的,表示方法,和测定方法,土壤水势（土水势）*,土壤水在各种力作用下，与大气压下同温度和同,高度的自由纯水相比，其自由能必然不同，二者势能,的差值用来表征土壤水势,。,土壤水的能量状态,土壤水势,(,t,),分为：,基质势,(,m,),、,溶质势,(,s,),、,压力势,(,p,),重力势,(,g,),。,土壤水分的有效性,水分常数,吸湿系数,:,吸湿水的最大含量。,凋萎系数*：,植物永久凋萎时的土壤含水量。,田间持水量*：,毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。,饱和持水量*,:,土壤孔隙全部充满水时的含水量。,液态水流动,气态水运动,土壤水运动,推动力,：土层之间的水势梯度,流动方向,：,高水势到低水势,饱和流,非饱和流,土壤孔隙全部充满水；主要是,重力水,运动,部分土壤孔隙充水；主要是,毛管水和膜状水,运动,推动力,：水汽压梯度、温度梯度,流动方向,：,高水汽压到低水汽压、温度高处到温度低处,水汽扩散,水汽凝结,土壤水分运动,饱和导水率即单位压力梯度下水的流量,“夜潮”现象,“冻后聚墒”,（,1,）入渗,（,2,）渗漏和径流,（,3,）土壤水分蒸发,（,4,）植物吸水,土壤水的田间循环过程,雨水、灌水进入土壤的两个阶段：,入渗,和,再分布,。,入渗阶段,渗吸,和,渗透,过程,地面供水，水自上而下垂直运动。,土壤水的田间循环过程,土壤水的再分布,*,地面停止供水，入渗终止。土壤入渗水在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动，称为,土壤水的再分布,。,土壤水的田间循环过程,土面蒸发,（soil,surface,evaporation）,要使蒸发过程持续进行，须具备以下三个前提条件：,不断有热能到达土壤表面,，以满足水的汽化热需要（15时1g水的汽化热,约为3.47KJ）；,土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压,，以保证水汽不断进入大气；,表层土壤须能不断地从下层得到水的补给,。,土面蒸发过程分为三个阶段,：,1、表土蒸发强度保持稳定的阶段,2、表土蒸发强度随含水率变化的阶段,3、水汽扩散阶段,土壤保墒措施在蒸发的第一阶段进行效果最佳；第二阶段次之。,土壤水的田间循环过程,1,灌溉与排水,2,减少地面蒸发：,松土、镇压、复盖,3,减少地面径流,：坡地修梯田，梯地,4,减少水分渗漏,：改良土壤结构，合理施肥，增强土壤保水蓄水能力。,5,、创造良好的土层构造,：上砂（,30cm,厚）下粘。,土壤水分宝蓄和调节,主要内容,第一节,土壤养分,第二节,土壤水分,第三节,土壤空气,第四节,土壤热量,第五节,土壤缓冲性,第六节,土壤的保肥性与供肥性,第七节 土壤肥力因素相互关系,第三节 土壤空气,第三节 土壤空气,1,、土壤空气组成,2,、土壤通气性,3,、土壤,空气状况的调节,一、土壤空气组成,1,、与大气组成基本一致,O,2,、,N,2,为主，少量,CO,2,气体,O,2,(%),CO,2,(%),N,2,和其它气体,(%),大气,20.94,0.03,79.0,土壤空气,18-20.03,0.15-0.65,79.2,2,、土壤空气组成特点*,O,2,略低于大气,CO,2,是大气的几十倍,有部分还原性气体：,CH,4,、,H,2,S,、,SO,2,、,H,2,水汽处于饱和状态,一、土壤空气组成,3,、土壤空气组成变化对土壤和作物的影响,O,2,要求,10%,，过低根系呼吸受阻，影响发芽出苗,CO,2,过多会产生毒害，一般,10%,，,25%,最佳,2,、氧扩散率,：,氧被呼吸消耗或被水排出后重新恢复速,率，以单位时间内扩散通过单位面积土层的氧气量表,示，一般在,30-40mg/(cm,2,min),植物生长良好,3,、氧化还原电位,：,通气良好的土壤，,Eh,高达,600-700mV,淹水土壤,Eh,可降至,-200mV,。,二、土壤通气性,Influenced factors of soil air movement and exchange,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,1,、开沟排水，消除湿害；,不同作物耐渍能力不同：蚕豆,油菜,小麦,红花草子,2,、稻田灌溉和排水；,3,、合理施用有机肥；,三、土壤空气状况的调节,第四节 土壤热量状况,1,、土壤热量的意义,2,、土壤热量的来源,3,、土壤,空气状况的调节,第四节 土壤热量状况,1,、,植物种子发芽、根系生长需要在一定土温下进行,各种作物的适时播种常以土温决定,2,、,土壤热量影响土壤中的生命活动和化学过程,微生物，,O.M.,分解、累积、矿物风化,一、土壤热量对土壤肥力、植物生长的影响,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,二、土壤热量的来源,太阳辐射能,Solar radiant energy,生物热,Biological heat,地热,Underground heat,土壤热量收支,Soil heat budget,S,单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；,R,该土层与深层土壤热交换；,P,土壤与空气之间的热交换量（与风速等有关）；,L,E,水分蒸发所消耗的热量或水汽凝结所放出的热量；,Q,地表与某一深度土层的辐射热量收支。,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=QPL,E,+R,1.,土壤热容量,Heat capacity of soil,*,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/cm,3,),。,土壤组成分复杂，每种成分的热容量都不一样,:,Cv,=,Cp,(Soil bulk density),Soil mineral particle:,Cvm,=1.9,J/cm,3,Soil organic matter:,Cvo,=2.5,J/cm,3,Soil water:,Cvw,=4.18,J/cm,3,Soil air:,Cva,=1.26,10,-3,J/cm,3,三、土壤热学性质,Cvs,Cvw,Cva,分别为土壤固相、水和空气的容积热容量；,Vs,、,V,w,和,V,a,分别为土壤固相、水和空气体积百分数。,气体的热容量可忽略，土壤有机质含量不高时公式可简化为：,C,v,=0.85,+4.18,Vw,J/(cm,3,),Cv=CvsVs,+,CvwVw,+,CvaVa,土壤热容量可用三相物质热容量和组成比例计算：,影响土壤热容量组分中，,土壤水,有决定性作用。,2,、热导率,*,单位厚度土层温差为,1,时，每秒经单位断面通过的热量数,单位：,J/(cms),成分,石英,其它平均矿物,有机质,水,空气,冰,热导率,21,7,0.6,1.37,0.06,5.2,土壤成分（,10,）和冰（,0,）的热导率,热导率低的土壤：昼夜温差大,热导率高的土壤：昼夜温差不大,三、土壤热学性质,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。,2,、热导率,三、土壤热学性质,3,、土壤热扩散率,D,*,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。,D,=,/,C,v,单位,cm,2,/s,在,土壤热容量不变（土壤含水量不变）时，热扩散率与导热率同时一致变化,。,土壤温度决定于土壤导热率和热容量。,如果热量一定，土壤温度升高的快慢和难易决定于其热扩散率。,三、土壤热学性质,四、土壤温度,土壤温度是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质共同作用的结果。,土壤温度的变化呈周期性。,土壤温度的变化滞后于气温的变化。,土温日变化,Diurnal change of soil temperature,On a diurnal time-scale,soils are heated during the day and the effect gradually extends downwards.At night soils cool rapidly at the surface and heat is transferred upwards from within the soil.,土表温度,最高值,出现在当地时间,13,14,时，,最低温,出现在凌晨。,土温日变幅以表土最大，至,80,100cm,深处变化幅度小甚至消失。,6:00 10:00 14:00 18:00,Soil temperature,土温季节,(,年,),变化,Seasonal change of soil temperature,Seasonal heating and cooling cycles operate in a similar manner,but they penetrate deeper into the soil than diurnal cycles because the time-scale is much greater;diurnal cycles usually affect only the upper 30cm or so,whereas seasonal cycles can penetrate to a depth of several metres.,升温阶段,：,1,月至,7,月，,7,月达最高；,降温阶段,：,7,月至次年,1,月，,1,月达最低。,土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为,“,时滞,”,。温度的变幅也随土层深度而缩小。一定深度时，土温终年不变。,Soil temperature,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,纬度,坡向,坡度,北半球南坡接受太阳辐射最多，东南坡、西南坡次,之，东坡、西坡、东北坡、西北依次递减，北坡最,低。,北半球中纬度地区（,30,60,o,）的南向坡，随着坡度,增加，接受太阳辐射增加。,纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度。随纬度由,低到高