第四章4 土壤气、热.ppt

1、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,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

2、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) =Dw(mm)1/100010000=10Dw,Storage capacity 容积水容量 (Unit: m3/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

3、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

4、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

5、，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

6、）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 O2、N2为主，少量CO2,2、土壤空气组成特点* O2略低于大气 CO2是大气的几十倍 有部分还原性气体：CH4、H2S、SO2、H2 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,O2要求10%，过低根系呼吸受阻，影响发芽出苗 CO2过多

7、会产生毒害，一般1%即可 还原性气体过多对作物有毒害作用,一、土壤空气组成,soil air content (v%) = total porosity(%) - soil water content(v%),土壤空气的组成含量不是固定不变的，土壤水分、土壤生物活动、土壤深度、土壤温度、pH值，季节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。 随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加，O2含量减少，其含量相互消长。,Soil depth,Content,CO2,O2,一、土壤空气组成,土壤通气性指土壤空气与大气不断进行气体交换的能力。,1、交换方式 对流（mass flow） 扩散（Diffusi

8、on）,二、土壤通气性,总压力梯度的产生： 气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉等。 空气对流量随土壤透气率和气压梯度增加而增大,Mass flow 对流 土壤与大气间由总压力梯度驱动的气体整体流动。 对流方向： 高压区 低压区,在大气和土壤之间CO2和O2浓度的不同形成分压梯度，驱使土壤从大气中吸收O2，同时排出CO2的气体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主要机制。,Diffusion 扩散,扩散过程,气相扩散,液相扩散,通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用,通过不同厚度水膜的扩散,dq扩散通量(单位时间通过单 位面积扩散的质量) dc/dx气体浓度梯度； D0

9、-扩散系数(面积/时间) 扩散通量(dq)与其扩散系数(D0)和浓度梯度(dc/dx) 成正比。 同一土壤条件下，不同气体的扩散系数不同。,扩散公式Fick law,dq =D0*dc/dx,扩散特点： 个别气体成分（如O2）由于与大气间存在浓度差而产生的移动 如：O2大气土壤；CO2土壤大气（土壤呼吸） 旱地、水田空气交换方式不一样 - 旱地以扩散为主 - 水田空气溶解、排水空气进入,二、土壤通气性,土壤通气性指标,1、通气孔隙度：非毛管孔度需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

10、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

11、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 So

12、lar 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）； LE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=QPLE+R,1. 土壤热容量 Heat capacity of soil* 重量

13、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/cm3)。 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/cm3 Soil organic matter: Cvo=2.5 J/cm3 Soil water: Cvw=4.18 J/cm3 Soil air: Cva=1.2610-3 J/cm3,三、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、Vw和Va分别为土壤

14、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：,Cv=0.85+4.18Vw J/(cm3) ,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),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

15、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= /Cv 单位cm2/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

16、, 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1314时，最低温出现在凌晨。 土温日变幅以表土最大，至80100cm深处变化幅度小甚至消失。,6:00 10:00 14:00 18:00,土温季节(年)变化 Seasonal change of soil temper

17、ature 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

18、：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。,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（3060o）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，自南而北土壤表面接受的辐射强度减弱， 土温由高到低。,土温的影响因素 Influenced factors of soil temperature Soil te

19、mperature is influenced by a number of soil properties, in particular texture, moisture and organic content, and it is also influenced by geographical characteristics and soil surface characteristics.,地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。,海拔高度,土壤因素,地面覆盖,海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热快，土壤 吸收热量增多，所以高山土温比气温高。由于高山 气温低，地面裸露时，地面辐射增强，随着高

20、度增 加，土温比平地的低。,影响土温变化的土壤因素，包括土壤结构、质地、 松紧度、颜色、湿度、地表状态及土壤水汽含量等。,土温的影响因素 Influenced factors of soil temperature,1、合理选择适宜的土壤和播种时间 冷性土宜种大豆，马铃薯，甜菜，葱蒜等； 热性土宜种棉花，玉米，高粱等 2、耕作和施肥 翻耕松土，施有机肥 3、耕作和水分管理 4、地膜覆盖和设施调控 5、喷洒土面保墒增温剂,五、土壤温度对植物生长的影响及其调节,第五节 土壤缓冲性,一、土壤缓冲性的概念和意义,1、土壤缓冲性的概念* 1）狭义的：抗拒pH值变化 2）广义的：抗拒外界干扰而保持状态稳定

21、的性能,2、土壤缓冲性的意义 1）积极的 稳定土壤环境条件 土壤质量指标 2）不利的 不良性质的顽固性,一、土壤缓冲性的概念和意义,第五节 土壤缓冲性,二、土壤化学缓冲性,1、土壤酸碱缓冲性的表现 缓冲曲线 2、土壤酸碱缓冲性体系 1）弱酸及其盐：碳酸盐和硅酸盐 2）胶体离子复合体：CEC大，缓冲能力强 3）铝体系（pH4.0） 4）有机酸体系,第五节 土壤缓冲性,3、影响土壤酸碱缓冲性的因素（CEC） 无机胶体种类与数量 蒙脱石伊利石高岭石 土壤质地 粘土壤土砂土 土壤有机质含量,二、土壤化学缓冲性,第五节 土壤缓冲性,二、土壤化学缓冲性 土壤氧化还原缓冲性：土壤加入少量氧化剂或还原剂后，E

22、h不发生剧烈变化。 三、土壤物理缓冲性 土壤水、气、热等物理条件在外界因素干扰下在一定范围内保持稳定的性能 四、土壤养分缓冲性 养分的缓冲容量：土壤维持溶液中养分强度的能力 五、土壤对污染的缓冲性,第五节 土壤缓冲性,第六节 土壤保肥性与供肥性,一、土壤保肥性*,土壤保蓄养分的性能 -以难溶性化合物形式保留在土壤中 -以离子形态被土壤固相吸附,1、土壤保肥性的机制 1）机械阻留：土壤孔隙的阻断 2）物理吸附：土壤表面张力（吸附有机化合物分子） 3）化学沉淀：化学反应，生成难溶性化合物 4）生物吸收：土壤中生物把有效养分吸收、同化， 并以生物有机质的形态保存在生物体中的现象 5）物理化学吸附：土壤胶体的吸附,第六节 土壤保肥性与供肥性,一、土壤保肥性,2、土壤保肥性的指标-阳离子交换量,20 cmol (+)/ kg ，保肥能力强 10-2