土壤温度与通气

土壤温度和通气是土壤环境的热学和气体组成部分，它们控制着生物和化学过程的速率以及氧气向根系和微生物的供应。

Definition

土壤温度是地表能量交换和热量通过剖面传导所产生的土壤热状态；土壤通气是土壤孔隙空间与大气之间氧气、二氧化碳和其他气体的交换。

Scope

本主题涵盖了决定土壤温度状况的热平衡和热学性质、土壤空气的组成和交换，以及通气、含水量和土壤氧化还原状态之间的联系。它将气体和热相作为土壤物理图像的补充，与水相并列。

Core questions

• 什么因素控制着土壤在昼夜和年度间的温度状况？
• 土壤空气的组成是什么？它如何与大气交换？
• 含水量如何控制通气和氧气供应？
• 温度和通气如何影响生物和化学过程？

Key concepts

• 土壤表面能量平衡
• 热导率和热容量
• 土壤温度状况
• 土壤空气组成
• 气体扩散和充气孔隙度
• 通气、涝渍和氧化还原

Key theories

土壤热平衡与传导

土壤温度由地表能量平衡和热量向剖面的传导决定，热导率和热容量强烈依赖于含水量，因此湿润土壤升温和降温较慢。

通气与气体扩散

氧气主要通过充满空气的孔隙扩散到达根系和微生物，因此通气取决于孔隙度和含水量；当孔隙充满水时，扩散停止，土壤变得厌氧，改变其氧化还原状态。

Mechanisms

地表的辐射、传导、对流和潜热交换决定了土壤的热量输入，这些热量向下传导，并随深度衰减和延迟，产生昼夜和季节性温度波。由于根系和微生物的呼吸作用，土壤空气中的二氧化碳含量高于大气，氧气含量低于大气；氧气主要通过充满空气的孔隙扩散得到补充。当水充满孔隙时，气体扩散急剧下降，氧气耗尽，土壤变得厌氧，从而改变其化学和生物学性质。

Clinical relevance

土壤温度控制着种子萌发、根系生长和养分循环速率，而通气决定了根系和好氧微生物是否有足够的氧气；管理排水、残茬覆盖和压实以保持土壤充分温暖和通气对于作物生产力以及限制反硝化等损失至关重要。

History

对土壤热状况的研究借鉴了应用于土壤表面能量平衡的经典热传导理论，而对土壤通气的研究则将气体扩散、含水量和氧化还原化学联系起来，确立了气体和热相在土壤功能中的作用。

Key figures

• Daniel Hillel
• Nyle C. Brady
• Ray R. Weil

Seminal works

• hillel1998
• brady2016

Frequently asked questions

为什么涝渍土壤的氧气含量会很低？

氧气主要通过充满空气的孔隙扩散进入土壤，这比通过水扩散快数千倍；当孔隙充满水时，氧气供应中断，而呼吸作用仍在继续，因此土壤很快变得厌氧。

为什么湿润土壤在春季升温较慢？

水具有高热容量，并且大部分传入能量用于蒸发而不是提高温度，因此湿润土壤需要更多能量才能升温，在春季升温速度落后于干燥土壤。