第八章 土壤热状况

第八章土壤热状况土壤热状况的意义

一、是土壤肥力的4个要素之一，对其它3个肥力因素有重要影响。1、土壤温度状况影响养分的有效性直接的—风化、纯化学反应，间接的—通过微生物。2、土壤温度影响水分的蒸发、蒸腾、再分布，影响水的能量状况、粘滞度，因而对水分的运动和有效性有直接影响。3、影响土壤空气的交换和更新。4、对植物的生命活动有直接影响。二、影响土壤的形成和发展过程

从赤道到两极，土壤类型呈现有规律的变化，主要原因就是由于温度的不同造成的。在土壤分类中，土壤的热状况是一个重要的依据，放在高级分类单元。

第一节土壤的辐射平衡一、土壤热量的来源(一)太阳的辐射能

太阳的辐射能是地球上最重要的能量源泉，也是土壤热量的最主要来源。

地球虽然只获得太阳总辐射能的极小部分，大约20万分之一，但比从其它方面所获得的总能量要大数千倍。当地球与太阳为日地平均距离时，在大气上部边界测得的太阳辐射强度为1.90卡/cm2/min。但是，实际上到达地面的太阳辐射远远小于这个数量。因为太阳光线通过大气层时，一部分被大气和云层吸收，一部分被云层和大气散射。到达地表面的热量，还有一部分被辐射和反射回大气，真正被土壤吸收的只是其中的一部分。

(二)生物热

微生物在分解有机质的生命活动中，产生一些热量，其中一部分被微生物作为同化作用的能源，大部分则用来提高土温。

据估算，含有机质4％的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.28×109～6.99×109KJ，相当于20～50吨无烟煤的热量。

在局部范围内，利用生物热来提高地温还是很有效的。如早春温度偏低，用各种有机物料作成温床培育幼苗，可以延长生育期，使蔬菜提早上市，有一定的经济效益。(三)地球的内热地球内部也可以缓慢地向地表土壤传递热量，只因为地壳导热能力很差，每平方厘米地面全年从地球内部获得的热量只有54卡，相当于半小时的太阳辐射。二、土壤的辐射平衡

土壤接受太阳辐射，同时也向空气中辐射，两者的差额，称为土壤的辐射平衡。HIEa(一)短波辐射

太阳的辐射是短波辐射，波长为0.3～4微米。当透过大气层时，有相当一部分被大气中的水汽、云雾、CO2等吸收、散射和反射，直接到达土壤表面的只有一小部分，称为太阳直接辐射能，辐射强度记为S，占到达地球总辐射能的20%左右。

被大气散射和云层反射的太阳辐射能，通过多次的散射和反射，又将其中一部分辐射回地面，称为天空辐射或大气辐射，这部分也是短波辐射，记为s，占到达地球总辐射的27%左右，大于前项S。

S+s，称为总的短波辐射。这部分能量到达地面后，有一部分会被土壤反射回去，用a来代表反射率，则：a=反射出去的短波辐射/投入的总短波辐射，反射出去的部分为(S+s)×a。(二)长波辐射地面接受太阳辐射后，温度上升，便向大气层进行长波辐射，波长为4～100微米，其强度记为E。与此同时，大气因吸热升高温度后，又向地面产生长波逆辐射，其强度记为G。这两种长波辐射的差值，代表地面的有效长波辐射，记为r，

r=E-G(三)辐射平衡

R=〔S+s-(S+s)×a〕-(E-G)=(S+s)(1-a)-r

R可以为瞬时值，也可以是某一段时间的总和。R为正，表明地面辐射收入大于支出，R为负，表明地面辐射支出大于收入。

R的大小，表示增热与冷却的程度。三、影响地表辐射平衡的因素(一)太阳的总辐射强度这是影响地面辐射平衡最重要的因素。太阳的总辐射强度主要和纬度有关，在纬度一定的情况下，和坡向、坡度有关。

在中纬度地区，南坡比北坡接受的太阳辐射能多，土温也比北坡高。坡度越陡，坡向的温差越大。坡向的这种差异，具有巨大的生态意义和农业意义。

在中纬度地区，南坡坡度每增加一度，约相当于纬度南移100公里所产生的影响。在高纬度，由于天空辐射在总辐射中所占比例很大，坡面的不同对土壤热量的收支影响不大。

在农业生产实践中，可利用坡向、坡度等小地形因素，来增加接受太阳辐射的数量，提高土壤温度。

(二)地面对太阳辐射的反射率1、日照高度日照越高，即太阳光的入射角越大，反射率越小。入射角为45°时，水层反射率为5%，15°时,水层反射率为20%，5°时，水层反射率为50%。2、土壤表面状态土壤颜色、粗糙程度、含水量、植被覆盖度，对太阳辐射的反射强度有极大影响。积雪反射率最大，达75～95%，森林覆盖为5～20%,低洼过湿的草地为12～30%。

同一土壤，湿土反射率比干土低，深色土壤比浅色土壤反射率低。如黑色土壤为5～15%，而浅灰白色土面为25～45%，粗糙的土面反射率比平滑土面低。

在农业生产中，用各种覆盖物，或实行间作套种，能使地面粗糙度增加，减少反射率，有利于提高土温。

(三)地面有效辐射地面有效辐射是地面净放出的热量:

r=E-G，是长波性质的辐射，在无云时为

0.12～0.24卡/cm2/分。

1、大气质量云雾、水汽、烟尘能强烈地截留和反射地面放出的长波辐射，使大气逆辐射增大，减少地面的有效辐射，即减少地表热量的损失。初秋的夜晚，有云的天气不很冷，而睛朗的天气却比较冷，容易发生霜冻。2、海拔高度空气密度、水汽、尘埃等，都随海拔高度的增加而减小，大气逆辐射相应减小，有效辐射增大。

这个效应在自然界是相当明显的，在很多纬度不是很高的地方，平原地区最低气温也在6～7℃，但山峰上却可以常年积雪。3、地表特征起伏地面比平滑表面辐射面大，有效辐射也大，从这个角度看，地面粗糙，不利于土壤热量的保存，与反射的情况相反。因此，地表粗糙对土壤热量收支的影响，不能一概而论。第二节土壤的热量平衡一、土壤的热量平衡土壤接受辐射后，能量有以下几个去向：1、蒸发消耗土壤中水分的蒸发要消耗掉大量的能量。2、向空中散发的乱流热。3、生物过程所消耗的热量。土壤中生物的生理活动需要的热，这种消耗很少，一般可忽略不计。4、长波辐射。二、影响土壤热量平衡的因素

(一)影响蒸发热交换的因素

在湿润气候条件下，很大一部分地面辐射能，通过蒸发作用，耗散在大气中，土壤越湿，消耗于蒸发的热量越高。

热带地区土壤温度不致过高，主要是水分蒸发造成的，如又热又干，则土温会很高。影响水面蒸发的主要因子是温度、湿度饱和差、风速、气压等。影响土壤中水分蒸发的因素，除上面这些外，还与土壤的水吸力和土壤水由底层向表层传导的速度有密切关系。(二）影响乱流热交换的因素土壤获得热量以后，相当大一部分能量传播给近地面空气层，借空气的乱流，进行热量传播。因乱流而产生的热交换，称为乱流热交换。在一定时间内，土壤表面单位面积上乱流交换的热量P与温度的垂直梯度及空气的热容量有关：

P=Ca·Pa·K·dt/dzCa—空气的重量热容量

Pa—空气的密度

K—乱流交换系数，在单位温度梯度下，每秒钟内单位土面上，因乱流而进入空气中的热量卡数，单位卡/cm2/秒。

dt/dz—垂直的温度梯度。1、空气的重量热容量是一定的，而空气的密度受气压影响，气压高时，这种交换作用加强。2、dt/dz是土壤表面与空气的温度梯度，土壤温度与大气温度之差越大，这种交换作用越强；所以太阳辐射强时，土面热，土壤传递给空气的热量多，而在夜间，只有长波的逆辐射，因而dt/dz减小，乱流交换也弱。3、k值：温暖季节较冷季高，白天比夜间高，晴天比阴天高，风大时比风小时高。4、乱流的大小还与近地层的湿度梯度有关，湿度梯度愈大，乱流愈强。因此，控制近地层的空气的温度与湿度梯度，能有效地控制乱流。

利用防护林网，可以调节乱流系数，减少乱流交换造成的热量损耗，这在北方地区是有一定积极意义的。第三节土壤的热性质一、土壤的热容量(一)重量热容量(massheatcapacity)单位重量的土壤每升高1oC所需要的热量，一般用C来表示，单位是卡/克·度。(二)容积热容量(volumeheatcapacity)

单位容积的土壤温度升高1℃所需要的热量，单位是卡/cm3·度，常用Cv来表示。容积热容量有两种。1、Cv=C·D，

D为土壤的容重2、

Cv=0.46Vm+0.60Vo+Vw+0.0003Va

Cv：各组分容积热容量之和。0.46:一般矿质土粒的C为0.17卡/克·度，取比重值2.7，则矿质部分的Cv=0.17×2.7=0.46卡/cm3·度。0.60：有机质的C为0.46卡/克·度，比重为1.3则有机质的Cv=0.46×1.3=0.60卡/cm3·度。土壤水的C和Cv=1.0，故Vw的系数为1。土壤空气的C为0.24，比重为0.0013，则土壤空气的Cv=0.0003，由于数值小，可忽略不计，但绝不表明空气的容量是无关紧要的。从上式中可见，Va越大，总的Cv可能越小，这是因为前三项都受Va的影响，不是独立变量。在容重一定的情况下，土壤热容量的大小，主要决定于土壤含水量的多少，因为在土壤中，有机质和矿物质的相对含量变幅一般不大，前两项对于特定土壤可以看成常数，土壤的Cv因土壤含水量的增加而增加。2)土壤的容积热容量受三相比率的影响，同一种土壤翻松、压实后，容积热容量会发生很大变化。就是说，土壤的容积热容量受容重的影响。二、土壤导热率（soilthermalconductivity)

土壤能够传导热量的性质称为土壤导热性。导热性的强弱，用导热率来衡量。土壤导热率（）

在单位厚度（1厘米）土层，温差为1℃时，每秒钟从单位断面（cm2）通过的热量焦耳数。单位是J·

cm

·s-1

·

℃-1。：土壤导热率；Q:在一定时间内流动的热量；A:土壤面积；T:时间;(t1-t2)/d:土壤温度梯度。土壤三相物质的导热率差异显著，水的导热率为0.0013—0.0014，空气为0.000055—0.000056，水为空气的25倍左右。常见矿物的导热率是在0.004—0.005之间，是水的3.1—3.6倍，因此三相物质的导热率顺序为:

固相>液相>气相。(二)影响导热率的因素1、土壤含水量和质地

湿润的土壤，导热率较高，因为水的导热率比空气高20多倍。质地粗的土壤，不需要很多的水分，就可以在土粒间形成连续的水膜，使热量易于通过，故干燥的砂土在刚刚湿润时,导热率明显增加，以后再增加供水，就接近最高导热率。

粘重的土壤情况基本相反，由于表面积大，形成包被土粒的连续水膜所需要的水多，最初供水时导热率增加的不多，继续供水，土壤导热率显著增加。

2、土壤孔隙度

在干燥的情况下，土壤孔隙中充满空气,而空气的导热率很低，所以，孔隙度越大，导热率越低。土壤的容重由1.1增至1.5时(孔隙度由约50%减少到43%)，土壤导热率由1.0×10-3增至2.1×10-3卡/厘米·秒·度，增加1倍以上。容重增加所造成的导热率增加，比加水所造成的影响小。例如：将容重为1.1的干土的导热率作为100，则容重为1.2、1.3、1.5的干土导热率分别为130，165和210。

当这4种干土有25%的孔隙充满水时，相对的导热率别为400、410、420和440，如有50%的孔隙充满水时，则分别为670、625、800和860。

三、土壤的导温率

土壤既然能传导热量，而热量能使土壤温度升高，因此土壤也具有导温性。

土壤传导温度的性能称为导温性。

在一定的热量供给条件下，土壤温度的变化多少取决于土壤的导热性和热容量。(一)导温率的概念土壤导温性的强弱通常用导温率来衡量。导温率在有些国外文献称为热扩散率：

soilthermaldiffusivity，

soilheatdiffusivity

在土层垂直方向上,每厘米距离内有1℃的温度梯度，每秒流入1cm2断面面积的热量，使单位体积(1cm3)土壤所发生的温度变化。K=λ/Cv，单位：cm2/s。从式中可知：导温率与导热率成正比，与热容量成反比，当热容量不变时，导温率与导热率变化是一致的，但是，如果热容量变化时，两者的表现就不一致了。

(二)影响导温率的因素主要是三相比例，更确切地说，是液相和气相的比例。土壤水的导温率为0.0013，土壤空气的导温率为0.00005/0.0003=0.16；土粒的导温率为0.004～0.005/0.46=0.009～0.011。导温率的顺序为：汽>固>液。从上面数据可以看出：导热率最小的空气，导温率最高。在一定的土壤条件下，土壤的导温性主要决定于土壤水和空气的比例。干土土温容易上升，湿土土温不容易上升。第四节土壤的温度状况

土壤的温度状况是指1年当中，1月当中或1天当中土壤上下层间的温度变化。这种变化是土壤热量平衡和土壤热性质共同作用的结果。

在农业用地上，作物种类、生育时期、栽培措施等对土壤的温度状况也有影响，因此，各地的土壤温度状况有很大差异。一、土壤温度的年变化土壤温度的年变化，多以各土层温度的月或旬平均值绘成等温线，或绘成月平均温度分布曲线。土壤温度季节变化的变幅随深度的增加而减小。在高纬度，消失于25m深处，在中纬度，消失于15—20m深处，在低纬度，消失于5—10m深处。二、土壤温度的日变化

(一)土壤表面温度的最高值出现在13—14时左右，为一天中最强的太阳辐射出现后一小时，最高气温出现前一小时。日出时表土温度最低。夏季日间的表土温度可以远高于气温，在夜间和冬季表土的温度略高于气温，表土的日平均温度仍高于气温。

(二)土温的日变化以表土最大，愈向深层变幅越小，到40cm处已没有太多变化，在

60～70～100cm，土温已没有变化了。(三)

土温垂直梯度在1天内以14时为最高，夜间大大减小。土温日变幅的大小，主要取决于辐射平衡的日变化和土壤的热性质，并受地面和大气间热量交换的影响。从辐射平衡方面看，天气状况，特别是云量，降水、风力对土壤温度的日变化影响较大。晴天比阴天的变幅要大得多。

植被在白天拦截太阳辐射，减少热量收入，夜间阻拦地面的长波辐射，使土壤温度的日变幅减小。三、土壤及近地层大气热状况的调节土壤温度与作物生长的关系极为密切。低温不利于土壤肥力的发挥，直接影响作物生长。

夏季土温太高，土壤水分蒸发快，叶面蒸腾量大，易出现干旱。因此，对土壤温度常常有加以调节的必要。

(一)耕作措施1、垄作垄作能够增加土壤的表面积，增加对辐射的吸收量，并能减少反射。垄作同时增加了长波辐射的热量，但由于夏天昼长夜短