土壤空气和热量状况

土壤水空气和热量之间的关系分析土壤肥力要素水、气、热之间的关系。

由于土壤水分的重要作用，因此掌握土壤水的形态学观点和能量学观点。

土壤水的类型土壤学中的土壤水是指在一个大气压下，在105℃条件下能从土壤中分离出来的水分。

土壤中液态水数量最多，对植物的生长关系最为密切。

液态水类型的划分是根据水分受力的不同来划分的，这是水分研究的形态学观点。

这一观点在农业、水利、气象等学科和生产中广泛应用。

一、吸湿水土壤颗粒从空气中吸收的汽态水分子。

从室外取土，放在室内风干若干时间后，表面上看似乎干燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量会减轻；再放置到常温常压下，土壤重量又会增加，这表明土壤吸收了空气中的水汽分子。

土壤的吸湿性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般来说，土壤中吸湿水的多少，取决于土壤颗粒表面积大小和空气相对湿度。

由于这种作用的力非常大，最大可达一万个大气压，所以植物不能利用此水，称之为紧束缚水。

二、膜状水土粒吸足了吸湿水后，还有剩余的吸引力，可吸引一部分液态水成水膜状附着在土粒表面，这种水分称为膜状水。

重力不能使膜状水移动，但其自身可从水膜较厚处向水膜较薄处移动，植物可以利用此水。

但由于这种水的移动非常缓慢（0.2—0.4mm/d），不能及时供给植物生长需要，植物可利用的数量很少。

当植物发生永久萎蔫时，往往还有相当多的膜状水。

三、毛管水当把一个很细的管子（毛细管）插入水中后，水分可以上升的较高于水平面，并保持在毛细管中。

毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的液态水。

毛管水可以有毛管力小的方向移向毛管力大的方向，毛管力的大小可用Laplace公式计算：P = 2T/r式中的P为毛管力，T为水的表面张力，r为毛管半径。

根据毛管水是否与地下水相连，可分为2种类型：毛管悬着水：降水或灌溉后，由地表进入土壤被保存在土壤中的毛管水。

毛管上升水：或毛管支持水，土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水。

影响毛管上升水的因素：地下水水位和毛管孔隙状况毛管水上升高度用下式计算：H=75/d，d为土粒平均直径（上升高度与颗粒直径间关系见p142的附表）。

第一节土壤和空气的热量交换方式和热特性一、土壤和空气的热量交换方式在土壤和空气中，存在着多种形式的热量过程。

除分子热传导、辐射和对流这三种方式外，还存在着平流、乱流和因水的相变而引起的热量转移形式。

这些过程对土壤和空气层热状况的形成起着决定性作用。

（一）分子热传导以分子运动来传递热量的过程称为分子热传导。

在土壤层中，热量交换是由分子热传导形式来完成的。

分子热传导过程强弱对土壤层内热状况的形成有着重要意义。

但在空气中，由于空气是热的不良导体，其分子导热率很小，因而由传导方式进行的热量转移比其他方式要少得多，在多数情况下是可忽略不计的。

（二）辐射地面和大气层之间的辐射热交换是始终存在的。

地面一方面吸收太阳辐射和大气逆辐射，同时也向大气放出长波辐射。

白天当地面吸收的辐射超过放出的热量时，地面被加热增温，并通过辐射或其他方式把热量传送到大气层和土壤下层使之增温；夜间地面放出的长波辐射超过吸收的大气逆辐射，结果使得地面损失热量，导致地面温度下降，此时土壤深层和大气就反过来以各种方式向地面输送热量，以维持地表温度不致下降太多，结果使得土壤深层和大气层的温度也发生下降。

（三）对流1、对流的概念空气在铅直方向上的大规模升降运动。

2、对流的种类对流按产生的原因可分为两类：（1）热力对流（自由对流）发生在低层气温剧烈增高或高层空气冷却时，上下层气温差异加大，造成低层空气密度较小，高层空气密度较大的不稳定状态，因而很容易产生对流。

（2）动力对流（强迫对流）空气水平流动时遇到山脉等障碍物时被迫抬升或因其它外力作用强迫时发生的。

对流使上下层空气混合，并发生热量交换。

对流的空气升降速度有时可达10m/s以上，高度可达对流层顶部附近。

一般在夏季及午后对流较强，冬季及清晨较弱。

（四）平流大范围的空气水平运动称为平流。

冬季大规模冷空气南下，可使气温急剧下降，在24小时内甚至气温可下降十几度；夏季海洋上暖湿空气北上，可使它影响地区的气温升高。

其土壤含水量的变化应等于其来水水增加，负值表示减少。

田间土壤水分收支示意图P 下渗水 D 降水灌溉 I上行水 U根据田间土壤水分示意图，可列出土壤水分平衡的数学表达式：P+l+U=E+T+R+In+D+△W式中:△W 表示计算时段末与时段初土体储水量之差(mm);公式中左侧为水分进入量；而右侧则为水分支出量。

当△W 为零时，说明，土层中水分无增无减，即收支平衡。

植物冠层截流 ln蒸腾、蒸发ET 径流损失 R动，并不断地与大气进行交换。

如果土壤空气和大气不进行交换，土壤空气中的氧气可能会在12~40h消耗殆尽。

土壤空气运动的方式有两种：对流和扩散。

（一）对流定义：是指土壤与大气间由总压力梯度推动的气体的整体流动，也称为质流。

土壤与大气间的对流总是由高压区流向低压区。

低压对流方向：高压总压力梯度的产生：气压变化、温度梯度、表面风力、降雨或灌溉、翻耕。

土壤空气对流方程式:q v = -(k /η) ▽pq v—空气的容积对流量（单位时间通过单位横截面积的空气容积);k —通气孔隙透气率;η —土壤空气的粘度;▽p —土壤空气压力的三维梯度。

空气对流量随着土壤透气率和气压梯度的增大而增大。

（二）扩散定义：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。

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（二）扩散这两种扩散过程都可以用费克（Fick）定律表示：qd = - Ddc/dxqd — 扩散通量（单位时间通过单位面积扩散的质量);“-”— 表示方向D — 在该介质中扩散系数（其量纲为面积/时间);dc/dx — 浓度梯度对于气体来说，其浓度梯度常用分压梯度表示：qd = - (D/B) (dp/dx )B — 偏压与浓度的比扩散系数D值的大小取决于土壤性质,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)（一）土壤热量来源太阳辐射能：土壤热量的最根本来源。