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1、第七章 土壤空气和热量状况第1页，本讲稿共28页7.1 土壤空气状况土壤空气状况 7.1.1 土壤空气的组成土壤空气的组成 表表7-1 土壤空气与大气组成比较（容积土壤空气与大气组成比较（容积%）气体成分气体成分 O2(%)CO(%)2 N2(%)其他气体其他气体(%)近地面大气近地面大气 20.94 0.03 78.05 0.98 土壤空气土壤空气 1820.03 0.150.65 78.880.24 土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、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，但也存在故土壤空气
2、与大气的组成基本相近，但也存在一些差异一些差异第2页，本讲稿共28页7.1 土壤空气状况土壤空气状况 7.1.1 土壤空气的组成土壤空气的组成土壤空气中土壤空气中COCO2 2的含量，通常比大气高数倍至数十倍。的含量，通常比大气高数倍至数十倍。当施入有机肥料后，当施入有机肥料后，COCO2 2含量可达含量可达2%2%以上。以上。这主要是土壤微生物生命活动和植物根系呼吸作用的结果。这主要是土壤微生物生命活动和植物根系呼吸作用的结果。COCO2 2溶于水，使土壤溶液趋于酸性，有利于矿质养分的溶解和释放。溶于水，使土壤溶液趋于酸性，有利于矿质养分的溶解和释放。但但COCO2 2浓度超过浓度超过1%1
3、%后，就会抑制种子萌发，延缓根系的发育后，就会抑制种子萌发，延缓根系的发育因为土壤中的生物活动，土壤空气中因为土壤中的生物活动，土壤空气中O O2 2含量比大气少含量比大气少作物生长旺季，呼吸强度大作物生长旺季，呼吸强度大或当增施有机肥料，土壤微生物好气分解旺盛时，消耗或当增施有机肥料，土壤微生物好气分解旺盛时，消耗O O2 2和产生的和产生的COCO2 2最多最多71.1.3 土壤空气中水汽含量高于大气土壤空气中水汽含量高于大气71.1.2 土壤空气中的氧气低于大气土壤空气中的氧气低于大气71.1.1 土壤空气中土壤空气中CO2含量高于大气含量高于大气 第3页，本讲稿共28页7.1 土壤空气
4、状况土壤空气状况 7.1.1 土壤空气的组成土壤空气的组成71.1.3 土壤空气中水汽含量高于大气土壤空气中水汽含量高于大气71.1.2 土壤空气中的氧气低于大气土壤空气中的氧气低于大气71.1.1 土壤空气中土壤空气中CO2含量高于大气含量高于大气 大气的相对湿度大气的相对湿度 土壤空气的相对湿度土壤空气的相对湿度50%50%90%90%，99%99%以上以上只要土壤含水量在吸湿系数以上，土壤水分就会不断地蒸发只要土壤含水量在吸湿系数以上，土壤水分就会不断地蒸发土壤空气中水汽饱和程度，一般近表层小而下层较大土壤空气中水汽饱和程度，一般近表层小而下层较大水汽饱和对微生物活动有利水汽饱和对微生物
5、活动有利71.1.4 土壤空气中还原性气体可能高于大气土壤空气中还原性气体可能高于大气 土壤通气严重不良时土壤通气严重不良时使土壤有机质在嫌气微生物作用下进行不彻底的分解使土壤有机质在嫌气微生物作用下进行不彻底的分解产生还原性气体，如产生还原性气体，如CHCH4 4、H H2 2S S、NHNH3 3、H H2 2等。还原性气体产生和累积等。还原性气体产生和累积对作物产生毒害作用，还会影响土壤养分的供应和转化对作物产生毒害作用，还会影响土壤养分的供应和转化第4页，本讲稿共28页7.1 土壤空气状况土壤空气状况 7.1.1 土壤空气的组成土壤空气的组成71.1.3 土壤空气中水汽含量高于大气土壤
6、空气中水汽含量高于大气71.1.2 土壤空气中的氧气低于大气土壤空气中的氧气低于大气71.1.1 土壤空气中土壤空气中CO2含量高于大气含量高于大气 71.1.4 土壤空气中还原性气体可能高于大气土壤空气中还原性气体可能高于大气 71.1.5 土壤空气成分随时、空而变化土壤空气成分随时、空而变化土壤空气成分随时间而不断变化土壤空气成分随时间而不断变化土壤空气成分随时空间而不断变化土壤空气成分随时空间而不断变化第5页，本讲稿共28页71.1.5 土壤空气成分随时、空而变化土壤空气成分随时、空而变化7-2 覆膜与裸露棉田不同生长期内土壤空气（O2、CO2）含量(容积%)深 度 (cm)第6页，本讲
7、稿共28页71.1.5 土壤空气成分随时、空而变化土壤空气成分随时、空而变化 图图7-1 土壤剖面上土壤剖面上O2和和CO2体积含量分布示意图体积含量分布示意图(引自引自J.Richter，1986)第7页，本讲稿共28页7.1.2 土壤空气的运动土壤空气的运动 71.2.1 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驱动气体的整体流动，也称为质流。土壤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。其流向总是由高压区流向低压区其流向总是由高压区流向低压区 71.2.2 土壤空气扩散土壤空气扩散在分压梯度的驱动下，使气体不断从土壤中向大气扩散，在分压
8、梯度的驱动下，使气体不断从土壤中向大气扩散，也可使某种气体不断从大气向土壤空气扩散也可使某种气体不断从大气向土壤空气扩散也称土壤呼吸。是土壤空气与大气主要交换机制。也称土壤呼吸。是土壤空气与大气主要交换机制。用费克用费克(Fick)(Fick)定律表示。即：定律表示。即：qd=-Ddc/dxqd=-Ddc/dx71.2.3 土壤通气性的调节土壤通气性的调节 很多因素引起土壤与大气间的压力差，而使土壤空气与大气产生对流很多因素引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、降雨或灌溉和地面风力等如气压、温差、降雨或灌溉和地面风力等 土壤通气性是指土壤空气与大气不断进行气体交换的
9、能力。土壤通气性是指土壤空气与大气不断进行气体交换的能力。只有在通气性较好的土壤中，才能进行顺利的气体交换只有在通气性较好的土壤中，才能进行顺利的气体交换土壤通气性主要取决于通气孔隙的数量和大小土壤通气性主要取决于通气孔隙的数量和大小要求土壤不仅要有适当的孔隙总量要求土壤不仅要有适当的孔隙总量更重要的是要有一定的通气孔隙度更重要的是要有一定的通气孔隙度通常采用以下农业措施来调节土壤三相容积比例关系通常采用以下农业措施来调节土壤三相容积比例关系第8页，本讲稿共28页7.1.2 土壤空气的运动土壤空气的运动 71.2.1 土壤空气对流土壤空气对流 71.2.2 土壤空气扩散土壤空气扩散71.2.3
10、 土壤通气性的调节土壤通气性的调节 通常采用以下农业措施来调节土壤三相容积比例关系通常采用以下农业措施来调节土壤三相容积比例关系深耕结合施用有机肥料深耕结合施用有机肥料培育和创造良好的土壤结构和耕层构造，增加土壤总孔隙度和空气孔隙度，改善通气性，从根本上培育和创造良好的土壤结构和耕层构造，增加土壤总孔隙度和空气孔隙度，改善通气性，从根本上解决水、气之间矛盾。解决水、气之间矛盾。客土掺沙、掺黏客土掺沙、掺黏改良过黏、过沙的土壤质地，提高土壤的透气性改良过黏、过沙的土壤质地，提高土壤的透气性雨后、灌水后及时中耕雨后、灌水后及时中耕消除土壤板结，以利通气。消除土壤板结，以利通气。灌溉结合排水灌溉结合
11、排水利用调节土壤墒情的办法来改善土壤通气状况利用调节土壤墒情的办法来改善土壤通气状况目前采用喷灌、滴灌等先进的灌水方法，既能节水又能改善土壤的通气状况。目前采用喷灌、滴灌等先进的灌水方法，既能节水又能改善土壤的通气状况。第9页，本讲稿共28页7.1.3 土壤通气性与肥力土壤通气性与肥力 7 1.3.1 影响种子萌发影响种子萌发71.3.2 影响根系生长和吸收功能影响根系生长和吸收功能种子萌发首先需要吸收水分和一定量的氧气。种子萌发首先需要吸收水分和一定量的氧气。如果土壤中如果土壤中O O2 2不足，就会影响种子萌发的生化过程。不足，就会影响种子萌发的生化过程。种子正常发育需要种子正常发育需要O
12、 O2 2的含量在的含量在10%10%以上以上,如果小于如果小于5%5%，种子萌发将受到抑制，种子萌发将受到抑制在土壤嫌气条件下，土壤微生物分解有机质会产生醛类和酸类物质在土壤嫌气条件下，土壤微生物分解有机质会产生醛类和酸类物质也会影响和抑制种子的萌发也会影响和抑制种子的萌发植物的根系正常生长发育植物的根系正常生长发育必须有一定供氧量。必须有一定供氧量。土壤空气中土壤空气中O O2 2含量含量(浓度浓度)必须高于某一值（临界值）必须高于某一值（临界值）低于这个浓度就会影响低于这个浓度就会影响作物的正常生长。作物的正常生长。第10页，本讲稿共28页 7.1 土壤空气状况土壤空气状况 7.1.3
13、土壤通气性与肥力土壤通气性与肥力 71.3.1 影响种子萌发影响种子萌发 71.3.2 影响根系生长和吸收功能影响根系生长和吸收功能71.3.3 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 71.3.4 影响植物生长的土壤环境状况影响植物生长的土壤环境状况第11页，本讲稿共28页71.3.4 影响植物生长的土壤环境状况影响植物生长的土壤环境状况第12页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况7.2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源 72.1.1 太阳辐射能太阳辐射能 72.1.2 生物热生物热 72.1.3 地热地热 第13页，本讲稿共28页7.2.2 土壤的热性质土壤的
14、热性质72.2.1 土壤热容量土壤热容量 表7-5 土壤各组成的热容 土壤组成 土壤空气 土壤水分 沙粒和黏粒 有机质 质量热容（J/(g)1.0048 4.1868 0.750.96 2.01 容积热容（J/(cm3)0.0013 4.1868 2.052.43 2.51土壤的容积热容量是指单位容积的土壤，在温度升降土壤的容积热容量是指单位容积的土壤，在温度升降11时所吸收或释放的热量时所吸收或释放的热量用用CvCv表示，常用单位表示，常用单位J/(cmJ/(cm3 3)质量热容量以单位质量土壤来计算，习惯上称之为重量热容或比热质量热容量以单位质量土壤来计算，习惯上称之为重量热容或比热重量热
15、容或比热重量热容或比热土壤的容积热容量土壤的容积热容量第14页，本讲稿共28页72.2.1 土壤热容量土壤热容量 7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质如果用容积热容量表示土壤热容如果用容积热容量表示土壤热容Cv为：为：Cv=CvsVs+CvwVw+CvaVa式中，式中，Cvs、Cvw、Cva分别表示分别表示土壤固相、液相和气相的容积热容土壤固相、液相和气相的容积热容Vs、Vw、Va表示单位容积土壤固相、液相和气相所占的表示单位容积土壤固相、液相和气相所占的容积容积第15页，本讲稿共28页7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质72.2.2 土壤导热率（土壤导热率（）单位温度梯度下，单位时间通过单位
16、面积土壤传导的热量单位温度梯度下，单位时间通过单位面积土壤传导的热量 表表 7-6 土壤成分（土壤成分（10）和冰（）和冰（0）的导热）的导热J/(cm2s)成成 分分 石石 英英 其他矿物平均其他矿物平均 有机质有机质 水水 空气空气 冰冰导热率导热率 21 7 0.6 1.37 0.06 5.272.2.1 土壤热容量土壤热容量土壤导热率受土壤组成的影响土壤导热率受土壤组成的影响影响土壤导热率的因素主要是土壤的松紧、土壤含水状况以及影响土壤导热率的因素主要是土壤的松紧、土壤含水状况以及土壤质地等土壤质地等 第16页，本讲稿共28页影响土壤导热率的因素影响土壤导热率的因素 图7-2 干燥土壤
17、热传导示意图 图7-3 湿润土壤热传导示意图 第17页，本讲稿共28页影响土壤导热率的因素影响土壤导热率的因素 图7-4 土壤密度和含水率对导热率的影响(引自 Baver)图7-5土壤质地和含水率对导热率的影响图中括号内为固相所占体(引自 Baver)第18页，本讲稿共28页7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质72.2.1 土壤热容量土壤热容量72.2.2 土壤导热率土壤导热率 72.2.3 土壤热扩散率土壤热扩散率 D=/Cv 土壤热扩散率是指单位时间流入（或流出）单位容积土壤的一定热量，土壤热扩散率是指单位时间流入（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导致土壤温度升
18、高或降低的程度 常用常用D D表示，单位表示，单位J/(cmJ/(cm2 2s)s)。D D可用土壤容积热容可用土壤容积热容CvCv和导热率和导热率计算。计算。一般情况下，热扩散率小的土壤，如干土、沙质土等，一般情况下，热扩散率小的土壤，如干土、沙质土等，其表层土温易于升降，温度变幅大，而热扩散率大的其表层土温易于升降，温度变幅大，而热扩散率大的土壤，如湿土、黏土质等，土温变幅小土壤，如湿土、黏土质等，土温变幅小 第19页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源把太
19、阳辐射能称为基本热源把太阳辐射能称为基本热源基本热源：基本热源：其他热源则称为一时性热源。其他热源则称为一时性热源。一时性热源：一时性热源：一时性热源虽然数量不大，但它在一定的情况下对调节土温的作用是不可一时性热源虽然数量不大，但它在一定的情况下对调节土温的作用是不可忽视的忽视的土壤热量的支出主要包括土壤水分蒸发、加热土体自身等而消耗土壤热量的支出主要包括土壤水分蒸发、加热土体自身等而消耗当表土温度高于下层土温时，热量将逐渐传入深层，称之为正值交换当表土温度高于下层土温时，热量将逐渐传入深层，称之为正值交换正值交换：正值交换：负值交换：热量由深层传向地表，称之为负值交换负值交换：热量由深层传向
20、地表，称之为负值交换这就是土壤中的热量交换或热流这就是土壤中的热量交换或热流它事实上就是土壤热量的收支平衡，决定着土壤热状况。它事实上就是土壤热量的收支平衡，决定着土壤热状况。第20页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 太阳太阳直达辐射 I大气散射云层散射云层吸收大气吸收地面辐射E地面反射r天空辐射H逆辐射G第21页，本讲稿共28页=从地面反射的辐射能/投入地表的总辐射能R=（I+H）-（I+H）*+（G-E）第22页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平
21、衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源日变化日变化第23页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源季变化季变化第24页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源土层变化土层变化第25页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.5 土壤温度
22、与肥力土壤温度与肥力7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化土温对作物生长发育的影响是多方面的土温对作物生长发育的影响是多方面的（1 1）种子萌发）种子萌发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小麦、大麦和燕麦小麦、大麦和燕麦 棉花、水稻和高粱棉花、水稻和高粱1 12 122 121414麦类麦类1 12 52 56 96 9101015152020天天 6 67 7天天 4 45 5天天（2 2）作物根系生长）作物根系生长微弱生长微弱生长 比较活跃比较
23、活跃 受到阻碍受到阻碍2 24 104 10以上以上 超过超过30303535最适土温最适土温玉米（玉米（2424）豆科（）豆科（22222626）甘薯（）甘薯（18181919）第26页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.5 土壤温度与肥力土壤温度与肥力7.2.2 土壤的热性质土壤的热性质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化（1 1）种子萌发）种子萌发（2 2）作物根系生长）作物根系生长（3 3）作物生长）作物生长适宜的土温能够促进作物的营养生长和生殖生长适宜的土温能够促进作物的营养
24、生长和生殖生长春麦苗期地上部分生长最好的土温为春麦苗期地上部分生长最好的土温为20202424后期以后期以12121616为好，为好，88以下或以下或3232以上则很少抽穗以上则很少抽穗（4 4）土壤微生物在）土壤微生物在土壤微生物在土壤微生物在15154040范围内最活跃范围内最活跃土温过低会导致土壤氮素缺乏而影响作物生长土温过低会导致土壤氮素缺乏而影响作物生长（5 5）土壤的化学、物理变化过程）土壤的化学、物理变化过程土温高，理化反应加快土温高，理化反应加快第27页，本讲稿共28页7.2 土壤热量状况土壤热量状况 7.2.6 土壤温度的调节土壤温度的调节 7.2.2 土壤的热性质土壤的热性
25、质7.2.3 土壤热量平衡状况土壤热量平衡状况7 2.1 土壤热量的来源土壤热量的来源7.2.4 土壤温度的变化土壤温度的变化 7.2.5 土壤温度与肥力土壤温度与肥力根据农业生产的需要，通常采取以下农业技术措施调节土壤温度。根据农业生产的需要，通常采取以下农业技术措施调节土壤温度。(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土宜种大豆、甜菜、马铃薯、葱蒜等作物冷性土宜种大豆、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、秋播宜早。热性土春播宜早、秋播宜迟冷性土春播宜晚、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，排水可以提高土温夏季灌水可以降土温，排水可以提高土温(4)(4)施用有机肥料施用有机肥料深色的马粪、羊粪、烟灰、草木灰等热性深色的马粪、羊粪、烟灰、草木灰等热性(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、阳畦、遮荫、挡风塑料地膜、温室栽培、阳畦、遮荫、挡风(6)(6)喷洒土面保墒增温剂（土面增温剂）喷洒土面保墒增温剂（土面增温剂）第28页，本讲稿共28页