第七章 土壤空氣和熱量狀況

第七章土壤空氣和熱量狀況主要內(nèi)容:第一節(jié)土壤空氣第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)第三節(jié)土壤熱量第四節(jié)土壤熱特性第五節(jié)土壤溫度變化第一節(jié)土壤空氣

土壤空氣是土壤重要組成之一，他對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育，微生物活動(dòng)，各種養(yǎng)分物質(zhì)的轉(zhuǎn)化起著很大、甚至是決定性的作用。1、土壤空氣存在土壤中未被水分占據(jù)的孔隙當(dāng)中，水少空氣多，水多空氣少。2、土壤中非毛管孔隙（通氣孔隙）用來(lái)存貯空氣的，無(wú)效孔隙，毛管孔隙多為水占據(jù)。3、表層土壤15-25%通氣孔隙，利于植物生長(zhǎng)。表下層大于10%第一節(jié)土壤空氣

一、土壤空氣的組成

土壤空氣來(lái)源于大氣，但組成上有差別，近地表差別小，深土層差別大，通氣好差別小，通氣差差別大。1、土壤空氣與大氣相比有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）CO2是大氣5-20倍，微生物活動(dòng)，有機(jī)質(zhì)分解，根系呼吸作用。1畝小麥24小時(shí)呼出CO24kg；2）O2濃度低于大氣。微生物活動(dòng)，有機(jī)質(zhì)分解，根系呼吸作用。3）土壤空氣水汽飽和度高，除表層，一般大于99%，空氣中只有雨天可達(dá)這么高。4）含有還原性氣體，尤其在嫌氣條件下產(chǎn)生CH4、H2、H2S第一節(jié)土壤空氣

一、土壤空氣的組成2、影響土壤空氣組成的因素1）土壤水分和孔隙狀況2）土壤生物活動(dòng)3）土壤深度深度越深，CO2增加，O2降低。4）土壤溫度5）PH6）季節(jié)變化冬——春——夏，CO2增加，O2降低7）栽培措施3、少量空氣可溶解水中，例如氧氣第一節(jié)土壤空氣

二、土壤空氣對(duì)作物生長(zhǎng)影響1、影響根系發(fā)育養(yǎng)分吸收1）根系吸收O2呼出CO2、O2；根系呼吸能力減弱，吸收養(yǎng)分水分能力下降，影響大小依次為：K>Ca>Mg>N>P2）影響根系生長(zhǎng)；通性好土壤，根系長(zhǎng)，顏色淺，根毛多，吸收能力強(qiáng)；長(zhǎng)期缺氧，根系短粗，顏色暗，根毛少，吸收能力弱。3）CO2多，易霉菌生長(zhǎng)，作物易生病。第一節(jié)土壤空氣

二、土壤空氣對(duì)作物生長(zhǎng)影響2、影響種子萌發(fā)種子萌發(fā)需要溫度、水分、O2，O2把種子貯存養(yǎng)分，氧化分解，釋放能量供生命活動(dòng)需要。缺O(jiān)2，謝不能正常進(jìn)行。有時(shí)產(chǎn)生酒精，有機(jī)酸，對(duì)種子有毒害作用。3、對(duì)土壤養(yǎng)分影響1）通氣好微生物活動(dòng)旺盛，有機(jī)養(yǎng)分，礦質(zhì)養(yǎng)分釋放快，固N(yùn)作用強(qiáng)。通氣性差，養(yǎng)分釋放慢，反硝化作用，N損失，固N(yùn)作用弱。2）土壤中CO2多，利于CaMgK溶解，但由于植物根系吸收能力差而不能吸收。3）嫌氣條件下產(chǎn)生有機(jī)酸、H2S，對(duì)種子和植物根系有毒害作用，水稻土壤溶液H2S達(dá)0.07mg/kg，水稻枯黃，稻根發(fā)黑。

第一節(jié)土壤空氣

三、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)土壤空氣不斷與大氣交換，同時(shí)土體內(nèi)部氣體不斷運(yùn)動(dòng)，如果土壤空氣與大氣之間不進(jìn)行交換，土壤空氣的O2在12-40小時(shí)內(nèi)消耗殆盡。交換方式有：對(duì)流和擴(kuò)散。1、土壤空氣的對(duì)流1）土壤空氣與大氣之間存在總壓力梯度，而使氣體在土壤孔隙與大氣之間流動(dòng)。由壓力大向壓力小方向流動(dòng)。2）作用因素A）溫度，熱脹冷縮B）降雨，灌水的作用C）風(fēng)力作用3）土壤空氣對(duì)流可用方程描述

qv=-(k/η)⊿Pk——透氣率η——粘滯系數(shù)⊿P——三維壓力梯度第一節(jié)土壤空氣

三、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)2、土壤空氣的擴(kuò)散1）某種氣體存在分壓梯度產(chǎn)生氣體擴(kuò)散（動(dòng)力）CO2土壤——>大氣O2大氣——>土壤2）氣體擴(kuò)散可用Fick定律表示qd=-Ddc/dxqd——?dú)怏w擴(kuò)散率D——土壤中擴(kuò)散系數(shù)dc/dx——濃度梯度D土壤中擴(kuò)散系數(shù)：在單位分壓梯度下，單位時(shí)間通過(guò)單位面積氣體的量。

3）D的影響因素A）氣體種類；O2是CO2的1.25倍；B）水分狀況；C）孔隙狀況，質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊狀況，土層排列第一節(jié)土壤空氣

四、土壤通氣指標(biāo)1、呼吸強(qiáng)度：?jiǎn)挝幻娣e或單位重量土壤在單位時(shí)間內(nèi)釋放CO2的克數(shù)。2、呼吸系數(shù)(RQ)：一定時(shí)間內(nèi)一定面積土壤產(chǎn)生CO2和消耗O2的比值。通氣良好RQ=1嫌氣條件RQ>1有機(jī)質(zhì)嫌氣分解釋放CO23、土壤氧化還原電位(Eh)第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)一、土壤的氧化還原體系1、土壤空氣組成和物質(zhì)氧化還原狀態(tài)1）有電子得失轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)。氧化劑+ne+=還原劑2）在一定條件下，氧化態(tài)物質(zhì)與還原態(tài)物質(zhì)達(dá)到平衡。3）土壤通氣狀況好，土壤空氣中氧氣多，溶解于土壤溶液中氧氣多，是一種氧化劑，把還原態(tài)物質(zhì)氧化為氧化態(tài)，溶解氧氣減少，還原態(tài)物質(zhì)增加。2、土壤氧化還原平衡體系氧鐵錳氮硫有機(jī)碳?xì)涞诙?jié)土壤的氧化還原反應(yīng)一、土壤的氧化還原體系3、土壤氧化還原平衡體系共同特點(diǎn)1）包括有機(jī)體系和無(wú)機(jī)體系，這些體系的反應(yīng)有可逆的，半可逆的和不可逆的。例如，有機(jī)體系為半可逆或不可逆的。2）有生物的參與例如，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解例如，鐵細(xì)菌，硫細(xì)菌，硝化細(xì)菌，亞硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌3）土壤是不均質(zhì)多相體系。Eh變異較大，多次測(cè)定，取平均值。4）土壤中氧化還原平衡體系經(jīng)常會(huì)變動(dòng)。第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)二、土壤氧化還原指標(biāo)1、氧化還原電位Eh。單位mv由于土壤溶液中氧化態(tài)物質(zhì)和還原態(tài)物質(zhì)的濃度關(guān)系而產(chǎn)生的電位稱Eh。測(cè)定用鉑電極，參比電極用甘汞電極2、電子活度的負(fù)對(duì)數(shù)(Pe)Pe=-lg[e-]

Pe=Eh/0.0592

Eh與Pe產(chǎn)生原因相同，但表達(dá)方式和單位不同。

第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)三、影響土壤氧化還原因素1、土壤通氣性；決定于水和孔隙狀況，是主要因素。2、微生物活動(dòng)；使土壤空氣，土壤溶液中O2減少，從而使Eh下降，嫌氣條件下作用明顯。3、易分解有機(jī)質(zhì)含量；耗O2，Eh低。易分解有機(jī)質(zhì)有糖類、淀粉、纖、蛋白質(zhì)、簡(jiǎn)單有機(jī)酸、醛類、醇類。新鮮有機(jī)質(zhì)如（綠肥）含易分解有機(jī)質(zhì)多。4、植物根系的代謝作用旱田植物耗O2，根系分泌物刺激微生物活動(dòng)，均使Eh。水田水稻可將O2分泌土壤中，近根Eh升高。第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)三、影響土壤氧化還原因素5、土壤pHEh=Eo-0.0592pH理論上PH升高1單位，Eh下降59mv。實(shí)際中，隨PH升高而下降，但下降數(shù)值與理論值有時(shí)有一些差異。6、土壤中氧化態(tài)和還原態(tài)物質(zhì)的多少如：多、緩沖作用強(qiáng)，Eh變化慢。如：氧化態(tài)物質(zhì)多，F(xiàn)e2O3、NO3-，淹水后Eh下降緩慢。

第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)四、Eh和土壤養(yǎng)分狀態(tài)1、N>410mvNH3——NO3-410~200mvNO3-——NO2-

<200mvNO3-，NO2-——N2

2、PEh>-200mv對(duì)P無(wú)影響；<-200mvFe3+——Fe2+被Fe3+固定P釋放出來(lái)。3、SEh>-200nv為SO42-<-200mvSO42-——S2-H2S有毒害作用，S與Fe2+生成FeS可減輕毒害作用。4、FeEo=-110mvFe3+——Fe2+干旱，含CaCO3土壤有缺鐵脫綠現(xiàn)象。5、MnMn4+=Mn2+Eo=400mv土壤缺錳少見，其有效性高。第二節(jié)土壤的氧化還原反應(yīng)四、Eh和土壤養(yǎng)分狀態(tài)旱田Eh200-700mv，400-500mv適宜。大于700mv，有機(jī)質(zhì)礦化快，養(yǎng)分枯竭，F(xiàn)e、Mn高價(jià)態(tài)，有效性低。小于200mv，有機(jī)質(zhì)分解慢，N損失,營(yíng)養(yǎng)不良，產(chǎn)生有機(jī)酸、H2S有毒害作用。水田Eh變動(dòng)大，-150-500mv，200-400mv適宜。長(zhǎng)期低于-110mv，水稻死亡。水田土壤表層氧化層Eh高，可保持在250mv以上，由水分入滲攜O2所致。

第三節(jié)土壤熱量一、土壤熱量狀況對(duì)土壤肥力的作用1、影響種子萌發(fā)不同作物適宜種子萌發(fā)的溫度不同，在適宜溫度內(nèi)，溫度越高，種子萌發(fā)速度越快。小麥、大麥1-2℃15-20天5-6℃6-7天9-10℃2-3天萌發(fā)谷子萌發(fā)溫度：6-7℃玉米萌發(fā)10~12℃高梁12-14℃春季播種要根據(jù)氣溫，土壤溫度條件。玉米粉種2、影響根系生長(zhǎng)不同植物適宜根系生長(zhǎng)土溫不同小麥12-16℃玉米24-28℃豆類22-26℃水稻30-35℃溫度低，受凍害，呼吸作用弱，根生長(zhǎng)受抑制，吸收養(yǎng)分能力低。溫度高，呼吸作用旺盛，不利碳水化合物積累，根系發(fā)生本質(zhì)化至根尖，根毛區(qū)減少，降低水分、養(yǎng)分吸收。西瓜為什么晝夜溫差大，甜第三節(jié)土壤熱量一、土壤熱量狀況對(duì)土壤肥力的作用3、影響微生物活動(dòng)，影響有機(jī)質(zhì)積累，適宜25-35℃4、土溫高，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，溫度變化巖石破碎。5、土壤溫度變化影響土壤水分、空氣的運(yùn)動(dòng)。第三節(jié)土壤熱量二、土壤的熱量來(lái)源1、太陽(yáng)輻射能在大氣上界，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1.9cal/cm2/min==8.0J/cm2/min，主要是短波輻射（0.4~4.0μm），通過(guò)直射、散射到達(dá)地面，部分被地面吸收，部分被反射。土壤主要熱量來(lái)源。2、生物熱微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放熱量，土壤中有機(jī)質(zhì)數(shù)量有限，少部分分解，生物熱量有限，但生物熱可被利用，例如春季為提高地溫，可施用半腐熟馬糞。3、地球內(nèi)熱地心溫度高，向地表傳導(dǎo)熱，平均54cal/cm2/年==227J/cm2/年，對(duì)土壤熱量影響不大，但在一些地?zé)岙惓^(qū)，數(shù)量較大，可被利用。第三節(jié)土壤熱量三、土壤表面輻射平衡及影響因素1、地面輻射平衡RR=[到達(dá)地面短波輻射-反射短波輻射]+[收入長(zhǎng)波輻射-支出長(zhǎng)波輻射]=[(I+H)-(I+H)×α]-(E-G)R可以是某一段時(shí)間內(nèi)輻射平衡（日，月，年）R正，地面輻射收大于支出，R負(fù)，支出大于收入。R白天正，夜間負(fù)。夏季正，冬季負(fù)。低緯終年正，高緯終年負(fù)。第三節(jié)土壤熱量三、土壤表面輻射平衡及影響因素2、影響地面輻射平衡的因素1）太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：緯度、坡度、坡向、氣候（陰天晴天）2）地面反射率：A）太陽(yáng)入射角：入射角大，反射率小B）顏色C）粗糙程度D）含水狀況E）植被及其它覆蓋：有覆蓋，反射強(qiáng)3）地面有效輻射A）云、霧、風(fēng)，能吸收反射長(zhǎng)波輻射B）海拔C）地表特征，地表起伏，粗糙，有效輻射面大，有效輻射大。D）地面覆蓋，可減少有效輻射，雪、草皮、枯枝落葉、玻璃、塑料薄膜。第三節(jié)土壤熱量四、土壤熱量平衡，反映土壤熱量的流向

Q=R±B±LE±P

Q為土壤熱量或支出量R輻射平衡B傳導(dǎo)熱LE水分蒸發(fā)、凝結(jié)熱P土壤與大氣間熱量交換第四節(jié)土壤熱特性土壤熱容量土壤導(dǎo)熱率土壤導(dǎo)溫率一、土壤熱容量1、概念：?jiǎn)挝惑w積或單位重量的土壤每升高1℃所需熱量。重量熱容量：J/(g.℃)Cg容積熱重量：J/(cm3.℃)Cv2、土壤由礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣組成。其中水熱容量大，氣熱容量小，固相變化小，水、氣變化大。土壤熱容量主要受土壤水分多少影響，水多，熱容量大。第四節(jié)土壤熱特性二、土壤導(dǎo)熱率存在溫度梯度，熱量發(fā)生傳導(dǎo)1、概念：?jiǎn)挝缓穸韧寥罍囟认嗖?℃，每秒種傳導(dǎo)通過(guò)單位斷面的熱量J數(shù)。J/(cm.S.℃)用λ表示。2、固、液、氣導(dǎo)熱率P126表6-4固相導(dǎo)熱率是空氣的100倍水相導(dǎo)熱率是空氣的25倍3、所以水分多，導(dǎo)熱率大；土壤緊實(shí)，土壤通氣孔隙少，固液相比例大，導(dǎo)熱率大。容重大，導(dǎo)熱率大。第四節(jié)土壤熱特性三、土壤熱擴(kuò)散率（土壤導(dǎo)溫率）1、概念：1℃的溫度梯渡下，每秒流過(guò)1cm2土壤斷面積熱量，使單位體積土壤發(fā)生的溫度變化。2、單位：cm2/s用D表示3、D=λ/Cv4、導(dǎo)溫率大，升溫慢，干土升溫快。5、水分對(duì)土壤熱擴(kuò)散率影響開始，λ升高>CvD升高后來(lái)，λ升高<Cv