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1、第四节 土壤与环境 的空气交换一、土壤空气含量和组成1、含量容重 孔隙度 田间持水量 空气量g/cm3 g/g cm3/cm3 cm3/cm3 砂壤土 1.30 0.51 0.28 0.364 0.146 重粘土 1.30 0.51 0.35 0.455 0.055水多则气少。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
2、含量相互消长。 lSoil air content 土壤空气含量Soil depthContentCO2O2O2(%)CO2(%)N2 (%)其它气体(%)atmosphere20.940.0378.050.98soil air18.0 20.030.150.6578.880.240.98l土壤空气与大气组成的差别 （volume%)2、组成二、土壤通气性一）、土壤与大气交换的机制 1、质流交换整体交换，700mV有机质矿化速率快，土壤肥力下降 2、水田：氧化层土壤250400mV耕作层 -200mV 100200mV氧化层300400mV通常把 Eh值 300 mV作为土壤氧化还原状况的 分
3、界线，Eh300 mV时土壤呈氧化状态， 300mV时的土壤呈还原状态。 Eh值过高或过低都对植物生长不利。 当 Eh750 mV时，土壤中好气条件太强，有 机质分解过旺，易造成养分的大量损失。而 Fe、Mn完全以高价化合物的形式存在，溶解 度极小，植物易造成缺Fe而发生“失绿病”， 也会因缺Mn而发生“灰斑”、“白斑”病。当m值200 mV时，Fe、Mn化合物呈还原 态，土壤溶液中 Fe 2+浓度高，会使水稻田 秧苗中毒。我国南方有些地区，水稻受害 的水溶态 Fe 2+的临界浓度为 50 100mg/kg。随着Fe、Mn的还原，土壤颜色 由红棕、黄褐色变为青灰色。当Eh值降为 负值后，某些土
4、壤可能出现H2S，对作物产 生毒害。水田大量施用绿肥或有机肥后，在高温淹水 嫌气条件下，使水稻根系变黑，土壤发出 臭味，这主要是由于 Fe2+与 S2-化合生成 FeS沉淀附着在根的表面呈黑色所致。土壤 中的硝化过程及硝酸盐的累积是在Eh值很 高的好气条件下进行的。土壤通气不良， 引起Eh下降和反硝化过程的发展。影响Eh的因素： 1、土壤通气状况 2、生物过程 3、有机质 4、土壤中氧化剂含量Eh=-59pH四、土壤通气和氧还状况对土壤功能的影响一）、成土过程影响季节性降水、积水，干湿交替 二）、对土壤养分影响 1、N 2、P 由氧化态到还原态 有效性提高 3、Fe、Mn 由氧化态到还原态 有
5、效性提高三）、还原条件的毒害问题1、有机酸/醛2、亚硝酸根积累3、 Fe2+、Mn2+ 4、S2-、H2Sl土壤空气与植物生长 Effect of soil air on plant growth 土壤空气与根系若土壤空气中O2的含量小于9或10，根系发育就会 受到影响，O2含量低至5以下时，绝大多数作物根系停止 发育。O2与CO2在土壤空气中互为消长，当CO2含量大于1时 ，根系发育缓慢，至520，则为致死的含量。土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如H2S使水 稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚至死亡。五、土壤空气与生态和环境的关系 土壤空气与种子萌发种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提
6、供，缺氧时，葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。土壤空气状况与植物抗病性（1）植物感病后，呼吸作用加强，以保持细胞内较高的氧水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用。（2）呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些隔离区阻止病斑扩大。（3）伤口呼吸增强，利于伤口愈合，减少病菌侵染。l土壤空气与微生物活性Effect of soil air on microorganism activity土壤空气影响微生物活动，影响有机质转化。 通气良好利于有机质矿质化。根系吸收养分，需通气良好条件下的呼吸作用提供能量。l 土壤空气与大气痕量温室气体的关系 Relationship between soil ai
7、r and greenhouse gases in atmosphere 大气中痕量温室气体（CO2、CH4、N2O、氯氟烃化合物）导致的气候变暖，是人们关注的重大环境问题。土壤向大气释放温室气体，因此说土壤是大气痕量温室气 体的源(source)。土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇(sink)。miss sink未探明汇一、土壤中热能收支 1、土壤热量来源 Sources of heat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
8、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 太阳辐射能 Solar radiant energy生物热 Biological heat地热 Underground heat第五节 土壤与环境的能量交换2、土壤表面的辐射平衡及影响因素Radiation balance on soil surface and its influence factorsl地面辐射平衡 Radiation balance太阳直接短波辐射(I) 地面短波反射(I+H)天空(大气)短波辐射(H) 地面长波辐射 E逆辐射(长波辐射) (G)以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的平衡差
9、值 R=(I+H)(I+H) +(GE)=(I+H)(1) rI+H投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射(I+H)被地面反射出的短波辐射，(为反射率)r=EG 是土壤向大气进行长波辐射量(E)与大气升温反向土壤辐射量(G)的 差值；收入支出SunIGE rH大气吸收云层散射大气散射云 层 吸 收l地面辐射平衡的影响因素 Influence factors太阳的辐射强度 Solar radiation intensity主要取决于气候；晴天比阴天的辐射强度大。天气条 件相同条件下取决于太阳光在地面上的投射角(日照角)，投 射角又受纬度和坡向坡度等影响。地面的反射率 Reflection ratio
10、 of soil surface 太阳入射角、日照高度、地面状况，地面状况又包括颜 色、粗糙程度、含水状况、植被及其他覆盖物状况地面有效辐射 Available radiation of surface云雾、水汽和风。强烈吸收和反射地面发出的长波辐 射，减少有效辐射。3、土壤的热量平衡 Heat balance of soil当土面获得太阳辐 射能转换为热能时， 大部分热量消耗于土 壤水分蒸发和土壤与 大气之间的湍流热交 换，一小部分被生物 活动所消耗，只有很 少部分通过热交换传 导至土壤下层。土壤热量收支 Soil heat budgetS单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；R辐射平衡；P土
11、壤与大气层之间的湍流交换量；LE水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加的量；Q土面与土壤下层的之间的热交换量。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=RPLE+Q1、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/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 二、土壤热性质 Soil heat p
12、roperties Soil mineral particle: mCv=1.9 J/cm3 Soil organic matter: oCv=2.5 J/cm3 Soil water: wCv=4.2 J/cm3Soil air: aCv=1.26103 J/cm3mCv、oCv、wCv和aCv分别为土壤矿物质、有机质、水和空气的容积热容量；Vm、Vo、Vw和Va分别为土壤矿物质、有机质、水和空气体积百分数。气体的热容量可忽略，公式可简化为：影响土壤热容量组分中，土壤水有决定性作用。从土壤三相角度看，液相的土壤水分的热容量最大，气相最小；Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw J/(cm3
13、) Cv=mCvVm+OCvVo+wCvVw+aCvVa土壤热容量可用三相物质热容量和组成比例计算：固相中，腐殖质热容量与其他成分相比有明显优势，其他各组分 热容量彼此差异不大，所以土壤热容量大小主要决定于土壤水分多少 和腐殖质含量。但是有机质含量比较固定，很难在短期内改善，只有水分是易变量，可以通过灌排调节土温。 2、土壤导热率 Heat conductivity of soil土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质。单位厚度(1cm)土层，温差1，每秒经单位断面(1cm2)通过的热量焦耳数 J/(cms)。导热性导热率Q流动的热量 A面积 T时 间 t1、t2土层两端的温度 d土层厚度 热
14、量传导方向： 高温处 低温处l 土壤组分导热率 Heat conductivity of different soil composition Soil solid particle 土壤固体部分：8.41032.5102 J/(cms)Soil water 土壤水： 5.4391035.858103 J/(cms)Soil air 土壤空气： 2.3011042.343104 J/(cms)水的导热率大于空气导热率，当土壤含水量低时，由于空气导热 率很小，因此土壤导热率小，特别是疏松孔隙多土壤，导热率小。若 含水量低但土壤紧实，热量可通过土粒(矿物质)传导，导热率则较大 。l土壤导热率的意义
15、 Importance of heat conductivity of soil导热性好的湿润表土层白天吸收的热量易于传导到下层，使表层 温度不易升高；夜间下层温度又向上层传递以补充上层热量的散失， 使表层温度下降也不致过低，因而导热性好的湿润土壤昼夜温差较小 。 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。土壤温度升高的快慢和难易决定于其热扩散率。标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距离内，1的温 度梯度下，每秒流入1cm2土壤断面面积的热量，使单位体积 (1cm3)土壤所发生的温度变化，以D表示。土壤导热率J/(cms) ；Cv土壤容积热容量(J/cm3)D=/ Cv (cm2/s)3、土壤热扩散率 Heat diffusivity of soil代表土壤传递热的快慢 干土易升温，湿土不易升温l 影响、Cv和D的因素：质地、松紧度、结构及孔隙状况等土壤水：D=5.021103/4.184土壤空气：D=2.092104/1.255103土粒：
