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1、第五章土壤空气和热量状况第一页，本课件共有34页 第五章第五章 土壤空气和热量土壤空气和热量第一节第一节 土壤空气土壤空气 一一 土壤空气的组成土壤空气的组成 二二 土壤空气的运动土壤空气的运动 三三 土壤空气与土壤肥力土壤空气与土壤肥力第二页，本课件共有34页 第一节第一节 土壤空气土壤空气一、土壤空气的组成与变化一、土壤空气的组成与变化气气 体体O2CO2N2其他气体其他气体近地面近地面的大气的大气20.940.0378.050.98土土 壤壤 空空 气气18.020.030.150.6578.880.24土壤空气与大气组成的比较（容积土壤空气与大气组成的比较（容积%）第五章第五章 土壤空
2、气和热量土壤空气和热量土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、生物化学和纯化土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、生物化学和纯化学过程产生的气体。故土壤空气与大气的组成基本相近，也存学过程产生的气体。故土壤空气与大气的组成基本相近，也存在些差异。在些差异。第三页，本课件共有34页土壤空气和进地面大气空气组成的差异土壤空气和进地面大气空气组成的差异 1 1土壤空气中的土壤空气中的COCO2 2含量高于大气含量高于大气 2 2土壤空气中的土壤空气中的O O2 2含量低于大气含量低于大气 3 3土壤空气中的水汽含量一般高于大气土壤空气中的水汽含量一般高于大气 大大气气的的相相对对湿湿度度通通常常只
3、只有有50509090，而而土土壤壤空空气气的的相相对对湿度大多是近饱和的湿度大多是近饱和的(99(99以上以上)。4 4土壤空气中含有较高量的还原性气体（土壤空气中含有较高量的还原性气体（CHCH4 4等）等）土壤空气组成显然不是固定不变的。土壤空气组成显然不是固定不变的。第四页，本课件共有34页深度/cm覆膜露地05-0107-2905-0107-29CO2O2CO2O2CO2O2CO2O200.9150.0560.05650.15820.4971.00620.4390.7020.6490.21120.653100.42020.3971.06020.2750.10420.5130.2792
4、0.668150.25020.4860.86519.9530.13420.8570.38520.506200.48320.4781.34820.0600.15020.1210.40620.634300.57319.8651.15920.0050.31320.1811.15720.362500.92219.9291.52019.6980.40220.1981.28119.873平均0.61520.1241.26819.9530.26920.3290.84720.022 覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量(%)(%)第五页，本课件共有34页土壤空气的变
5、化规律：土壤空气的变化规律：随着土层深度的增加，土壤空气中随着土层深度的增加，土壤空气中COCO2 2含量增大，含量增大，OO2 2含含量减少，无论在膜地或露地均是如此；量减少，无论在膜地或露地均是如此；气温和土温升高，根系呼吸加强，微生物活动加快，气温和土温升高，根系呼吸加强，微生物活动加快，土壤空气中土壤空气中COCO2 2含量增加，夏季含量增加，夏季COCO2 2含量最高；含量最高；覆膜田块的覆膜田块的COCO2 2含量明显高于未覆稻草原露地，而含量明显高于未覆稻草原露地，而OO2 2则反之则反之 土壤空气中的土壤空气中的COCO2 2和和OO2 2的含量是相互消长的，二者的的含量是相互
6、消长的，二者的总和维持在总和维持在1922%1922%之间，之间，土壤空气成分随时、空而变化。土壤空气成分随时、空而变化。COCO2 2含量随土层加深而增加，含量随土层加深而增加，OO2 2则相应减少，冬季表土则相应减少，冬季表土COCO2 2含量最少，开春后根系呼吸加强，微生含量最少，开春后根系呼吸加强，微生物活动加快，物活动加快，COCO2 2含量增加，到夏季最高。含量增加，到夏季最高。第六页，本课件共有34页第七页，本课件共有34页二、二、土壤土壤空气运动 土壤空气运动的方式有两种：即对流和扩散。即对流和扩散。1.1.土壤空气对流土壤空气对流 土壤空气对流是指土壤与大气间由总压力梯度土壤
7、空气对流是指土壤与大气间由总压力梯度驱动气体的整体流动，也称为质流。驱动气体的整体流动，也称为质流。其流向总是由高压区流向低压区。很多因素引其流向总是由高压区流向低压区。很多因素引起土壤与大气间的压力差，而使土壤空气与大起土壤与大气间的压力差，而使土壤空气与大气产生对流，如气压、温差、降雨或灌溉和地气产生对流，如气压、温差、降雨或灌溉和地面风力等。面风力等。第八页，本课件共有34页2.2.土壤空气扩散土壤空气扩散 土壤空气组成中，土壤空气组成中，C0C02 2的浓度高于大气，的浓度高于大气，OO2 2的浓度低于大气，使之分别产生了的浓度低于大气，使之分别产生了COCO2 2和和OO2 2的分压
8、差，在分压梯度的驱动下，使的分压差，在分压梯度的驱动下，使C0C02 2不断从土壤中向大气扩散，不断从土壤中向大气扩散，OO2 2不断从不断从大气向土壤空气扩散，这种大气向土壤空气扩散，这种OO2 2从大气进入，从大气进入，而而COCO2 2从土体排出的气体扩散作用，亦称从土体排出的气体扩散作用，亦称为为土壤呼吸土壤呼吸。一般认为扩散作用是土壤空。一般认为扩散作用是土壤空气与大气进行交换的主要机制。气与大气进行交换的主要机制。第九页，本课件共有34页3.影响土壤空气运动的因素 有气象因素、土壤性质及农业措施，气有气象因素、土壤性质及农业措施，气象因素主要有气温、气压、风力和降雨象因素主要有气温
9、、气压、风力和降雨等。等。第十页，本课件共有34页三、三、土壤通气性土壤通气性(soil aeration)(soil aeration)（一）、土壤通气性的定义和指标（一）、土壤通气性的定义和指标 土壤通气性土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体内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。部允许气体扩散和通气的能力。1 1静态指标静态指标 （1 1）容积分数或充气孔隙度）容积分数或充气孔隙度 （2 2）土壤的空气组成）土壤的空气组成 （COCO2 2和和OO2 2等的含量）等的含量）取样的代表性不十分确定取样的代表性不十分确定 第十一页，本课件共有34页三、三
10、、土壤通气性土壤通气性(soil aeration)(soil aeration)（一）、土壤通气性的定义和指标（一）、土壤通气性的定义和指标 土壤通气性土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体内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。部允许气体扩散和通气的能力。1 1静态指标静态指标2 2土壤通气量土壤通气量(soil air flux)(soil air flux)土土壤壤通通气气量量是是指指在在单单位位时时间间内内，单单位位压压力力下下，进进入入单单位位体体积积土土壤壤中中的的气气体体总总量量（COCO2 2和和OO2 2），常常用用单单位位是是毫毫升升
11、厘厘米米-2-2 秒秒-1-1。土土壤壤通通气气量量的的大大小小标标志志着着土土壤壤通通气气性性好好坏坏，通通气量大则土壤通气性良好。气量大则土壤通气性良好。第十二页，本课件共有34页三、三、土壤通气性土壤通气性(soil aeration)(soil aeration)（一）、土壤通气性的定义和指标（一）、土壤通气性的定义和指标 土壤通气性土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体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。内部允许气体扩散和通气的能力。1 1静态指标静态指标2 2土壤通气量土壤通气量(soil air flux)(soil air flux)3 3
12、土壤氧化还原电位（土壤氧化还原电位（EhEh）第十三页，本课件共有34页3 3土壤氧化还原电位（土壤氧化还原电位（EhEh）土壤的土壤的EhEh取决于土壤溶液中氧化态和还原态物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。或溶解态氧的浓度，这就直接与土壤通气性相联系。因此因此E Eh h可以做为土壤通气性的指标，它指示土壤溶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。液中氧压的高低，反映土壤通气排水状况。第十四页，本课件共有34页土壤空气状况对
13、植物生长的影响土壤空气状况对植物生长的影响 土壤空气状况是土壤肥力的重要因素之一。不仅土壤空气状况是土壤肥力的重要因素之一。不仅 影响作物根系的发育和吸收能力，还影响土壤中的化学影响作物根系的发育和吸收能力，还影响土壤中的化学和生物化学过程、养分的形态及供肥能力。和生物化学过程、养分的形态及供肥能力。影响种子萌发影响种子萌发 种子正常发育需要种子正常发育需要O O2 2的含量在的含量在1010以上，如果小于以上，如果小于5 5，种子，种子萌发将受到抑制。萌发将受到抑制。影响根系生长和吸收功能影响根系生长和吸收功能影响土壤微生物活动和养分状况影响土壤微生物活动和养分状况影响植物生长的土壤环境状况
14、影响植物生长的土壤环境状况 四、土壤空气与土壤肥力四、土壤空气与土壤肥力第十五页，本课件共有34页 一般在通气良好的土壤中，植物根系一般在通气良好的土壤中，植物根系长、颜色浅、根毛多；而缺氧则会阻碍根长、颜色浅、根毛多；而缺氧则会阻碍根系伸长和侧根萌生，根系短而粗，颜色暗，系伸长和侧根萌生，根系短而粗，颜色暗，根毛大量减少。根毛大量减少。据北京农业大学实验站对棉花地的观测，据北京农业大学实验站对棉花地的观测，结果表明：土壤空气中结果表明：土壤空气中OO2 2和和COCO2 2含量维持含量维持在在21%21%左右，左右，OO2 2占其中占其中85%85%以上时棉花以上时棉花根系发育良好；当根系发
15、育良好；当OO2 2占占70%70%以上时以上时,棉花棉花根系能正常生长；而根系能正常生长；而COCO2 2占占60%60%以上时，以上时，根系生长完全停止。根系生长完全停止。第十六页，本课件共有34页五、五、土壤通气性的调节土壤通气性的调节1 1、调节土壤水分含量、调节土壤水分含量 2 2、改良土壤结构、改良土壤结构 3 3、通过各种耕作手段来调节土壤通性、通过各种耕作手段来调节土壤通性 对旱作土壤，有对旱作土壤，有中耕松土中耕松土，深耙勤锄深耙勤锄，打破土表结打破土表结壳壳，疏松耕层等措施。，疏松耕层等措施。对于水田土壤，可通过对于水田土壤，可通过落水晒田落水晒田、晒垡晒垡，搁田搁田及及合
16、合理的下渗速率理的下渗速率等措施。等措施。第十七页，本课件共有34页第二节第二节 土壤热量土壤热量(Soil heat)土壤热量最基本的来源是太阳辐射能，还土壤热量最基本的来源是太阳辐射能，还有生物热和地热有生物热和地热 。土壤温度是衡量土壤热量的尺度，反映土土壤温度是衡量土壤热量的尺度，反映土壤热能获得和散失的平衡状况。壤热能获得和散失的平衡状况。第十八页，本课件共有34页（一）太阳的辐射能（一）太阳的辐射能在地球大气层的顶部测得的垂在地球大气层的顶部测得的垂直于太阳光下一平方厘米的黑体表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，面在一分钟内吸收的辐射能常数，称作称作太阳常
17、数太阳常数，一般为，一般为1.9k/cm1.9k/cm2 2/min/min。9999的太阳能包含在的太阳能包含在0.3-0.3-4.04.0微米的波长内，这一范围的波微米的波长内，这一范围的波长通常称为短波辐射。长通常称为短波辐射。当太阳辐射通过大气层时，当太阳辐射通过大气层时，其热量一部分被大气吸收散射，其热量一部分被大气吸收散射，一部分被云层和地面反射，土壤一部分被云层和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。吸收其中的一少部分。HIEa一、土壤热量的来源一、土壤热量的来源第十九页，本课件共有34页（二）生物热（二）生物热有机物质分解过程中释放出的热量，一部分被微生有机物质分解过程中释放出的热
18、量，一部分被微生物利用，大部分用于提高土温。物利用，大部分用于提高土温。据估算，含有机质据估算，含有机质4 4的土壤，每英亩耕层有机质的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为的潜能为6.28106.28109 96.99106.99109 9KJKJ，相当于，相当于20205050吨吨无无烟煤的热量。烟煤的热量。（三）地球内热（三）地球内热 从地球内部的热向地面传导的热能。地热是一种重要从地球内部的热向地面传导的热能。地热是一种重要的地下资源。尤其是在一些异常地区，如火山口附近、有的地下资源。尤其是在一些异常地区，如火山口附近、有温泉之地。温泉之地。第二十页，本课件共有34页二、土壤热性质二、土壤热性
19、质1 1、土壤热容量、土壤热容量(soil heat capacity,soil thermal capacity)(soil heat capacity,soil thermal capacity)土壤热容量土壤热容量是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）（或降低）11所需要（或放出的）热量。所需要（或放出的）热量。第二十一页，本课件共有34页土壤热容量热容量的分类土壤热容量依据单位土壤的计量形式土壤热容量依据单位土壤的计量形式(容积或质容积或质量量)不同，分为容积热容量和质量热容量。不同，分为容积热容量和质量热容量。土壤的容积热容量：土壤的容
20、积热容量：是指单位容积的土壤，在温是指单位容积的土壤，在温度升降度升降11时所吸收或释放的热量，用时所吸收或释放的热量，用C C 表示，常表示，常用单位用单位J J(cm(cm3 3)。质量热容量：质量热容量：以单位质量土壤来计算，习惯上以单位质量土壤来计算，习惯上称之为重量热容或比热，用称之为重量热容或比热，用C C表示，常用单位表示，常用单位J J(g(g)。第二十二页，本课件共有34页不同土壤组分的热容量不同土壤组分的热容量第二十三页，本课件共有34页二、土壤热性质二、土壤热性质2 2、土壤导热率、土壤导热率（1 1）导热性）导热性:土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为土壤具有对所
21、吸热量传导到邻近土层性质，称为导热性。导热性大小用导热率表示。导热性。导热性大小用导热率表示。（2 2）导热率）导热率:在单位厚度（在单位厚度（1 1厘米）土层，温差为厘米）土层，温差为11时，每秒钟经单时，每秒钟经单位断面（位断面（1 1厘米厘米2 2）通过的热量焦耳数（）通过的热量焦耳数（）。其单位是）。其单位是J.cmJ.cm-2-2.s.s-1-1.-1-1。第二十四页，本课件共有34页二、土壤热性质二、土壤热性质2 2、土壤导热率、土壤导热率（1 1）导热性）导热性:（2 2）导热率）导热率:土壤中各组分的导热率土壤中各组分的导热率:固相固相 液相液相 气相。气相。影响土壤导热率的主
22、要因素影响土壤导热率的主要因素:土壤的松紧、土壤含水状况、土壤质地土壤的松紧、土壤含水状况、土壤质地。土壤导热率与土温的变化：土壤导热率与土温的变化：导热率低的土壤，如干燥的沙土，白天收入的热量不易下传，导热率低的土壤，如干燥的沙土，白天收入的热量不易下传，使受热的表层土温升高较快，夜间降温时下层热量也不易上传，使使受热的表层土温升高较快，夜间降温时下层热量也不易上传，使表层土温下降也大，所以昼夜温差大。而导热率高的土壤，如黏质表层土温下降也大，所以昼夜温差大。而导热率高的土壤，如黏质土，土温变幅小，昼夜温差不大。土，土温变幅小，昼夜温差不大。第二十五页，本课件共有34页 当土壤干燥缺水时，土
23、粒间的土壤孔隙被当土壤干燥缺水时，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。粒间的孔隙被水分占领，导热率增大。第二十六页，本课件共有34页第二十七页，本课件共有34页三、土壤的热扩散率三、土壤的热扩散率 土壤热扩散率土壤热扩散率 是指在标准状是指在标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距况下，在土层垂直方向上每厘米距离内，离内，11的温度梯度下，每秒的温度梯度下，每秒流入流入1cm1cm2 2土壤断面面积的热量，土壤断面面积的热量，使单位体积（使单位体积（1cm1cm3 3）土壤所发生）土壤所发生的温度变化。其大
24、小等于土壤导的温度变化。其大小等于土壤导热率热率/容积热容量之比值。容积热容量之比值。上式中:为土壤导热率，Cv为土壤容积热容量。第二十八页，本课件共有34页三、土壤温度（三、土壤温度（Soil temperature)Soil temperature)1 1、土壤温度的季节或月变化、土壤温度的季节或月变化第二十九页，本课件共有34页土壤温度的变化土壤温度的变化均质土壤的土壤温度的理想日变化。在相继的每一深度，均质土壤的土壤温度的理想日变化。在相继的每一深度，温度峰是衰减的，并且随时间逐渐漂移，也就是说下层土壤温度峰是衰减的，并且随时间逐渐漂移，也就是说下层土壤温度的变幅比上层小，并且滞后一段
25、时间。见下图温度的变幅比上层小，并且滞后一段时间。见下图第三十页，本课件共有34页土壤温度的日变化土壤温度的日变化无冰冻地无冰冻地区土壤温度剖区土壤温度剖面随季节的变面随季节的变化：表层土温化：表层土温随季节的变幅随季节的变幅要大于下层土要大于下层土壤，土层越深壤，土层越深土温变幅越小。土温变幅越小。此外，下层土此外，下层土温的季节变化温的季节变化较上层有明显较上层有明显滞后。滞后。第三十一页，本课件共有34页三、地形地貌和土壤性质对土温的影响三、地形地貌和土壤性质对土温的影响 (一）海拔高度对土壤温度的影响一）海拔高度对土壤温度的影响 在山区随着高度的增加，土温还是比平地的土温低。在山区随着
26、高度的增加，土温还是比平地的土温低。（二）坡向与坡度对土壤温度的影响（二）坡向与坡度对土壤温度的影响 坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤水和植不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤水和植物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温度和物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温度和水分状况可以促进早发、早熟。水分状况可以促进早发、早熟。（三）土壤的组成和性质对土壤温度的影响（三）土壤的组成和性质对土壤温度的影响 土壤颜色深的，吸收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅土壤颜色深的，吸
27、收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅色的土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色色的土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色的差异可以使不同土壤在同一时间的土表温度相差的差异可以使不同土壤在同一时间的土表温度相差2 244，园艺栽培，园艺栽培中或农作物的苗床中，有的在表面覆盖一层炉碴、草木灰或土杂中或农作物的苗床中，有的在表面覆盖一层炉碴、草木灰或土杂肥等深色物质以提高土温。肥等深色物质以提高土温。第三十二页，本课件共有34页土壤温度与肥力土壤温度与肥力种子发芽出苗要求适宜的土温条件。种子发芽出苗要求适宜的土温条件。土温对作物根最生长的关系很密切。一般根系在土温
28、对作物根最生长的关系很密切。一般根系在2 244时开时开始微弱生长，始微弱生长，1010以上根生长比较活跃，土温超过：以上根生长比较活跃，土温超过：303035 35 时根系生长便受到阻碍。时根系生长便受到阻碍。夏季土温过高，常使根系组织加速成熟，甚至发生夏季土温过高，常使根系组织加速成熟，甚至发生“烧根烧根”现象现象或幼茎或幼茎“烧伤烧伤”现象。冬季土温过低易产生冻害，并影响作物根现象。冬季土温过低易产生冻害，并影响作物根系对水肥的吸收。系对水肥的吸收。适宜的土温能够促进作物的营养生长和生殖生长。各种作物营养适宜的土温能够促进作物的营养生长和生殖生长。各种作物营养生长最旺盛时期所要求的土温：
29、小麦为生长最旺盛时期所要求的土温：小麦为161620 20，冬小麦为，冬小麦为121216 16，玉米为，玉米为24242828，棉花为，棉花为25253535。大多数土壤微生物在大多数土壤微生物在15154040范围内最活跃。土温过高或过范围内最活跃。土温过高或过低，其活动均受到抑制，并且影响土壤中有机质的矿质化和低，其活动均受到抑制，并且影响土壤中有机质的矿质化和腐殖化过程。硝化细菌和氮化细菌在土温腐殖化过程。硝化细菌和氮化细菌在土温28283030时最活跃。时最活跃。第三十三页，本课件共有34页土壤温度的调节土壤温度的调节(1)(1)根据土性合理选择种植作物根据土性合理选择种植作物 冷性
30、土宜种大豆、甜菜、马铃薯、葱蒜等作物。热性土宜冷性土宜种大豆、甜菜、马铃薯、葱蒜等作物。热性土宜种棉花、玉米、谷子、高粱、小麦等作物。冷性土春播宜晚、种棉花、玉米、谷子、高粱、小麦等作物。冷性土春播宜晚、秋播宜早。热性土春播宜早、秋播宜迟。秋播宜早。热性土春播宜早、秋播宜迟。(2)(2)翻耕松土翻耕松土 (3)(3)灌溉排水灌溉排水 夏季灌水可以降土温，排水可以提高土温。早春育秧时灌水、夏季灌水可以降土温，排水可以提高土温。早春育秧时灌水、可以保温防寒；旱地冬前浇冻水、可起到保苗、杀虫防旱的效果。可以保温防寒；旱地冬前浇冻水、可起到保苗、杀虫防旱的效果。(4)(4)施用有机肥料施用有机肥料(5)(5)广泛采用多种措施来调控土温广泛采用多种措施来调控土温 塑料地膜、温室栽培、塑料地膜、温室栽培、阳畦、遮阴阳畦、遮阴(6)(6)喷洒土面保墒增温剂喷洒土面保墒增温剂 有机合成酸渣剂、天然酸喷制剂、沥青有机合成酸渣剂、天然酸喷制剂、沥青制剂制剂第三十四页，本课件共有34页