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农田土壤热交换

[db:作者]2021-03-08 08:53:50农业百科68人已围观

简介农田土壤热交换

  农田土壤热交换 : 农田中土壤表层与下层之间的热量传递过程。农田土壤中的热量主要来自太阳辐射能。
传导过程
当土壤表面吸收太阳辐射能后, 以分子传导方式把部分热量往下层传送,使下层土壤也随之增温。反之, 当土壤表面由于辐射冷却,温度下降到比下层土壤温度低时, 热量由下层土壤传向土壤表面, 并由土壤表面散失。农田中, 由于作物的存在,到达土壤表面的太阳辐射能比裸地少, 另外,农田土壤中的腐殖质(包括草根层)也比裸地多, 腐殖质是非常不良的导热体, 所以农田土壤热交换量一般比裸地小。而且随作物密度、生育期变化较大。表示土壤热交换的公式为:

式中 Qs(0) 为土壤表面的热交换量, 它表示单位时间内, 沿垂直方向通过单位截面积的热流量, 通常称为土壤热通量:λ为土壤导热率, 它是表征热量在土壤中传播速度快慢的物理量, 其单位为焦 ·厘米

-1·

Qs(0)为负,表示有热量自土壤下层向土壤表面输送,并由土壤表面散失。
影响因素
农田土壤热交换量的大小受多种因素影响, 在其他条件相同的情况下, 凡是吸收太阳辐射多、导热率大以及蒸发弱的土壤表面, 其土壤热交换量就大; 凡是反射率大, 导热率小以及蒸发强的土壤表面, 其土壤热交换量就小。例如, 就土壤表面吸收太阳辐射而言, 在其他条件一定的情况下,同一作物、同一生育期, 密度小的农田比密度大的农田吸收太阳辐射多, 故前者土壤热交换量比后者大。同一种作物不同生育期, 土壤热交换量也是不同的, 生育初期和后期与生育中期相比, 前者土壤热交换量比后者大,这是因为前者(茎叶稀疏)土壤表面吸收的太阳辐射多于后者(茎叶密集)。就土壤导热率大小而言, 在其他条件一定的情况下, 品种、密度、生育期都相同的两块农田, 导热率大的农田与导热率小的农田相比。土壤热交换量前者大于后者。影响土壤导热率大小的因素又取决于土壤性质和土壤耕作措施。就土壤性质而言,例如, 腐殖质少的农田与腐殖质多的农田相比,土壤热交换量是前者大于后者, 因为前者导热率比后者大。颜色深的土壤比颜色浅的土壤反射率小, 故土壤热交换量前者大于后者。土壤耕作措施可以导致土壤热力特性的改变,故对土壤热交换量影响也很显著。
日变化和年变化
农田土壤热交换量的日变化和年变化一般是不同的。白天或暖季,土壤获得热量,热量由土壤表面向下层输送, 是土壤贮热时期: 夜间或冷季, 土壤释放热量, 热量由下层向土壤表面输送,并由土壤表面散失, 是土壤的放热时期。土壤热交换的变化为一周期函数, 其大小与温度梯度、导热率成正比。其最大值与最小值出现时间, 均比同深度最高温度和最低温度提前π/4。如在日变程中约提前2~3小时(大约出现在11时左右), 在年变程中约提前1~2个月(大约出现在5~7月)。但在赤道到回归线以内的地方, 由于太阳每年两次经过天顶, 土壤热交换量的年变化具有双峰型的特点, 其最大值出现在春季和秋季, 最小值出现在冬季和夏季。由于土壤中热交换量在一日或一年中有得有失, 故土壤热交换的日总量和年总量是很小的。据中国的南京大学1961年5月在德州小麦地观测表明,在晴朗天气条件下,白天由土壤表面进入下层土壤的正热交换量为79.52焦/厘米2,夜间由土壤下层流向土壤表面的负热交换量为71.15焦/厘米2,日总量为+8.37焦/厘米2。土壤热交换量对于近地面层温度的日变化,特别是夜间温度的变化有很大的影响。在其他条件一定时, 凡是土壤热交换量大的农田, 地面层白天的增温和夜间的冷却就比较缓和, 寒冷季节的霜冻害也比较轻; 凡是土壤热交换量小的农田, 温度日变化就比较剧烈, 霜冻也比较严重。
确定方法
土壤热交换量可用仪器测定, 但仪器还有一定缺点, 且未广泛使用, 实际工作中多采用计算方法。因为在一定的土壤条件下, 土壤温度的时空变化主要决定于土壤热交换量的大小和变化; 反过来也可以根据土壤温度的变化来确定土壤热交换量, 而土壤温度是可以相当准确测量的。土壤热交换量确定方法主要有以下几种:
莱赫哈特曼—采京方法 这个方法是根据土壤热传导方法导出, 计算式是:

△θ0、△θ5、△θ10、△θ15、△θ20分别为0、5、10、15、20厘米土壤深度处, 相邻两次观测时间的地温差 (由后一时刻t2减去前一刻t1, τ=t2-t(以分为单位),θ(20、t1)表示t1时刻20厘米深度的土温,余者类推:Cm和K分别为土壤容积热容量(焦·厘米-3·开-1)和导温系数(厘米2/时)。
该方法是由苏联学者Д.Л.莱赫特曼于1947年提出, 经Г.Х.采京于1953年简化建立起来的。中国50年代后期引进作为气象台站的规范方法。
土柱热含量法 它是一种能量平衡法, 其计算式是:

式中 Z*为地温日变化恒温层深度,把0-Z* 上层分割成i层:Hi、Cmi和,Ti分别为第i层的厚度,平均容积热容量和地温变化〔△Ti=Ti(t2)-Ti(t1)〕,t1、t2为观测起止时刻。该方法是根据在一定的时间间隔内, 由土壤表面流入土柱或由土柱流向土壤表面的热量等于土柱热含量变化这一能量平衡原理而建立的,其理论依据可靠,若土壤温度观测深度在80厘米(土壤日变化恒温层深度一般在40~80厘米)以下,使用该方法比较合理。
热传导法 由土壤热传导方程和土壤温波方程导出, 具体计算式为:

式中 Qs(0,t)是t时刻通过土壤表面的热通量: λ和Cm分别为土壤的导热率和容积热容量; ω=2π/T为时角、T为周期; 为位相差:△T0为地面温度的日振幅。该方法只有在土壤温度日变化的正弦波比较典型, 且天气晴朗时使用比较好,若云量多变或阴雨天气, 则误差较大。

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