土壤学教案-第七章.土壤空气和热量.docx

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1、土壤学课程教案课程编号：章节名称及内容：土壤空气和热量所在课程顺序号：第12个教案授课学时与时长：1学时授课教师：王聪课程类型：学类核心课一、教学目标1、要求深刻理解与熟练掌握土壤的热特性及土壤温度的生态意义2、要求深刻理解与熟练掌握调节土壤水、气、热状况的方法和原理二、教学内容1、土壤空气2、土壤热量3、土壤温度4、土壤水、气、热的调节三、教学重点1、土壤主要成分的热容量和导热率四、教学难点1、土壤成分的热容量和导热率五、教学方法课堂讲授、多媒体辅助和板书相结合。六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业，然后开始进行课

2、堂讲授，讲授过程穿插问题提问，本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问7.1土壤空气7.2土壤热量7.3土壤温度7.4土壤水、气、热的调节7.1 土壤空气7.1.2土壤空气的组成：土壤空气存在于无水的土壤孔隙中，它的含量取决于土壤孔隙度和土壤含水量，土壤空气与大气的组成相似，但是在含量上存在一些差异。AtmosphericAirvsSoi1Air(%vo1ume)Samp1eN2O2CO2CH4Air78210.035traceSoi1Air7820(0-20%)0.35(0-5)trace土壤空气中C02含量比大气高十几倍甚至几百倍。土壤空气02含量比大气低。土壤空气相对湿度

3、比大气高。土壤空气几乎为水气饱和的。因为土壤湿度均在“最大吸湿量”之上。土壤空气中含有较多的还原性气体。特别是土壤通气不良时，含有CH4、H2S、H2、N20、C2H6、PH3、CS2等还原性气体和温室效应气体。土壤空气的组成不是固定不变的，而大气的组成相对比较稳定。土壤动物，微生物大多为异养，土壤较为封闭，所以C02高，02低。土壤微域较多，因此变异也较大,而大气体量非常大,一点点波动不会影响到总体比例。7.1.2土壤通气性(Soi1aeration)又称为土壤空气更新。指土壤空气与近地层空气之间进行气体交换以及土壤内部允许气体扩散和流动的性能7.1.3土壤通气的主要机制(掌握)主要有两种方

4、式：1、整体交换：土壤空气交换，也有人叫质流、对流。主要由于近地层环境因子剧烈变迁所引起的土壤中所有空气成分沿同一个方向的流动。如：风、气压变化、温度梯度变化、降水和灌溉的作用。这是特定条件下的土壤气体更新过程。2、气体扩散：土壤中气体分子因浓度梯度或气体分压不同而产生的气体移动。土壤放出C02,吸收02,也称为“土壤呼吸”。气体扩散是土壤气体交换的主要机制714土壤通气性的指标(掌握)(1) 土壤通气孔隙度()一般非毛管孔隙度15-20%为良好，V10%通气不良，10-15%中等。(2) 土壤氧扩散率(ODR)它是指每分钟扩散通过每平方厘米土层的02的毫克数。一般要求在30-40mgcm2.

5、min。(3) 土壤氧化还原电位当土壤通气良好时，土壤空气中的02多，土壤溶液中02就多，变价化合物处于高价氧化态，Eh就大，反之Eh低。7.2土壤热量影响对象：热量对土壤微生物活动，植物的生长、土壤物理、化学过程均有较大影响。7.2.1土壤热量的来源太阳的辐射能：这是土壤热量最主要的来源。生物热：土壤微生物分解有机会释放热量，一部分供自身利用，一部分用于提高土温。地球内热：在地热异常地区，这一过程对提高土温有一定意义7.2.2土壤的热性质（1） 土壤热容量（C）（掌握）是指单位重量或单位容积的土壤，当温度增或减时所需要吸收或放出的热量。（单位：焦耳）容积热容量（CV）=重量热容量（C）X土壤

6、容重土壤热容量越大，土温变化越慢。土壤热容量越小，土温变化越快。土壤热容量主要是受土壤固液气相三相组成的影响。土壤水的热容量最大;气体的热容量最小;矿物质和有机质的热容量介于其中。通过调控土壤水分状况可以调节土壤热状况。土壤主要组分的热学特性（20C、1个大气压条件下）土壤组分密度16(gr土壤导热率（）（掌握）指厚度为ICnb两端温度相差1时，每秒钟通过ICm2土壤断面的焦耳数。空气水土壤矿物质土壤导热率主要受含水量、松紧程度孔隙状况影响。土壤导热率随含水量的增加而增加。导热率低的土壤，昼夜温差大，导热率高的土壤昼夜温差小。)质量热容量Q(kJkg1K*)体积热容量C(kJm土壤热扩散率（K

7、）（掌握）指标准状态下，在土层垂直方向上，每Cm距离内有IC的温度梯度，每秒钟流入ICm2土壤断面面积的热量。K,)热传导率jS(Jnr,s,K1)热扩散率Cv（m1）石英2.650.7321.928.36843Xm其他矿物2.650.7321.922.93015x10m有机质1301.9252.510.251Ix1O-4土壤水1.004.1864.190.5941.4x10与导热率成正比，与容积热容量成反比。土壤空气0.00121.0040.001210.0262.1x10土壤导温率的大小同样取决于三相物质的比例：一般而言，土壤固相部分较稳定。土壤导温率主要取决于水和空气的比例，干土温度易上

8、升，湿土温度不易资料来源：ScottHD,2000上升。7. 3土壤温度土壤热量状况：是指在周年或一日内上下土层间的温度变化情况。土壤温度的年变化土层愈深，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，至520米深处，土温年变幅消失。土壤温度的日变化土表温度最高值出现在1314时，最低温出现在日出之前。土温日变幅以表土最大，至40IOOCm深处变化幅度小甚至消失。78 .4壤水、气、热的调节9 .41壤水、气、热之间的相互关系1、土壤水、气之间的相互关系水多气少，水少气多2、土壤水、热之间的相互关系含水量高时，土壤热容量大，土温不易变化，稳温。土温升高时，

9、土壤水的粘滞度和表面张力下降。渗透系数增大，有助于土壤水的运动。3、合理耕作、轮作、蓄水、通气、增温(1)深耕使耕层疏松，减弱毛管作用，增大孔隙，因此增加透水蓄水能力，减少土壤蒸发，改善土壤通气状况，降低土壤热容量和导热率，有利于土壤增温(2)中耕中耕可以疏松表土，切断毛管，减少蒸发，有助于表土升温。(3)轮作和垄作水旱轮作，可以改善土壤通气状况。垄作相对地降低了地下水位,增加了土壤接受阳光的表面积,增加土壤蒸发,有利于土壤升温，是低湿地改善水、气、热状况的有效措施之一。4、其它措施(1)地面覆盖常用的有塑料薄膜、草帘、槁杆等。覆盖可以提高土温，减少蒸发。(2)特殊措施设立风障，建立温室、使用

10、土面增温剂等。七、思政内容土壤元素的生物地球化学循环是土壤圈”物质循环的重要组成部分，也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件,对于陆地生态系统生产力的形成及对生态环境净化具有重要的影响，土壤化学元素以能量传递为驱动力,沿着二上壤-生物-大气进行物质循环传递的过程,称为土壤元素的生物地球化学循环。来自土壤的元素通常可以反复循环和利用，典型的再循环过程包括:植物从土壤中吸收营养元素;植物的残体归还土壤;土壤微生物分解植物残体，释放营养元素;营养元素再次被植物吸收。土壤元素循环是在生物参与下,营养元素从土壤到植物，再从植物回到土壤的循环是一个复杂的生物地球化学过程。由于不同营养元素化学、生物化

11、学性质不同,循环过程各有特点。可见土壤元素的生物地球化学循环与全球气候变化有密切关系。土壤湿度作为陆面过程研究中的重要参量,对气候变化起着重要的作用，它通过改变地表向大气输送的感热、潜热和长波辐射通量而影响气候变化，它的变化同样会影响土壤本身的热力性质和水文过程，使地表的各种参数发生变化,从而进一步影响气候变化,反之气候变化能引起土壤含水量的变化。土壤向大气释放的Co2。主要是土壤碳库中有机物质矿化作用所产生的，土壤有机质产生C02的过程也叫土壤呼吸。但从严格意义上讲土壤呼吸作用是指未受扰动的土壤中产生C02的所有代谢作用，包括3个生物学过程(植物根呼吸、壤微生物呼吸及土壤动物呼吸)和一个非生

12、物学过程(含碳物质的化学氧化作用)。土壤每年向大气释放的Co2。为5076GtC,占陆地生态系统与大气间碳交换总量的2/3,同时也远远超过化石燃料燃烧每年向大气排放的5GtC。研究表明，土壤呼吸释放的C02中约30%50%来自根系的活动或自氧呼吸作用，其余部分主要源于土壤微生物对有机质的分解作用，即异氧呼吸作用。土壤呼吸量的大小与生态系统中枯枝落叶的生产量直接相关，沿纬度形成明显的梯度变化。土壤呼吸和根系呼吸都与土壤温度和水分有密切的关系。土壤呼吸即使发生较小的变化也会等于或超过化石燃料燃烧而进入大气的C02年输入量。所以土壤呼吸的变化能显著地减缓或加剧大气中C02的增加，进而影响气候变化。全

13、球变暖将有利于增强土壤呼吸，释放出更多的C02,大气的C02浓度增加又进一步加剧了全球气候变暖的趋势。土壤中硫对环境的影响主要表现在土壤中能产生大量的气态硫化物进人大气，进而影响全球变化。土壤中气态硫化物的形成对大气酸沉降和环境酸化的发生起一定的作用，威胁到自然生态系统及人类生存环境。另外，土壤中硫的氧化还原作用对氮、碳循环，对土壤环境也有一定的影响。土壤碳丧失容易重建难加剧温室效应联合国环境规划署2012年年鉴称，仅仅在土壤表一米深的范围内，就固定着2.2万亿吨碳，是当前整个大气含碳量的3倍。“土壤碳丧失容易重建难。土壤中的碳存量非常脆弱，很容易受到人类活动的影响而排放到大气中。当地被物和土

14、地利用形式发生改变，如由于不可持续的农业和森林经营导致毁林、城市与耕地扩张等，土壤中的碳就会明显减少。”土壤中的碳一般以有机物形式存在，不仅能为植物提供营养，而且可以改善地力和地下水的移动。但人类！的经营活动会破坏土壤有机物。一旦土壤有机物遭到破坏，土壤中的有机碳便会转化为二氧化碳，并排放到大气中。二氧化碳是导致全球升温的一种主要的温室气体，增加温室气体浓度，加剧温室效应。联合国环境规划署称，由于人类不可持续地利用土地，过去25年来，全球大约有24%的土地健康状况恶化，地力下降。自从19世纪以来，由于农地开垦和城市建设，原先固定在土壤和植物中的碳大约有60%被排放到大气中。土壤乃万物之根基，清

15、洁干净的土壤是人们生活最基本的保障。尤其是农村地区，农民生活根植于土地，农作物的生长更是离不开土壤，土壤承担着农村生活保障、农业发展、食物供给的重要战略功能。然而，随着工业化、城镇化及石油农业等发展，化肥、农药、农膜滥用，工业污染肆意排放等现象屡禁不止，直接或间接导致了农村土壤的破坏和污染，形势严峻。习近平总书记在推动我国生态文明建设迈上新台阶中指出：“农村环境直接影响米袋子、菜篮子、水缸子、城镇后花园“突出重点区域、行业和污染物，强化土壤污染管控和修复，有效防范风险，让老百姓吃得放心、住得安心伴随着国家关于“农村污染治理攻坚战”“净土保卫战”“藏粮于地战略”政策行动相继出台，农村土壤问题己经被提高到国家生态文明建设、粮食安全保障的重要战略地位。因此，研究农村土壤问题的分类特征、政策体系以及影响因素，对提升我国农村土壤环境质量有重要意义。面对