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一、土壤热特性

对于任何性质的土壤，当得到热量时温度升高，失去热量时温度降低。但是，对于不同性质的土壤，比如干燥和潮湿土壤，当获得或失去相同的热量时，它们升温和降温的幅度是不相同的，主要原因是土壤的热特性不同。土壤的热特性包括土壤热容量、热导率和热扩散率。

1.热容量

描述土壤热容量的物理量有三种，即热容量、质量比热和容积比热。

• 热容量（Heatcapacity）:表示某物体温度升高或降低1℃所需吸收或放出的热量。用C表示，单位为J/℃
• 质量比热（Mass specific heat）:表示单位质量的物质，温度变化1℃所需吸收或放出的热量。用Cm表示，单位为J/(kg﹒℃)。
• 容积比热（Volume specific heat）:表示单位体积的物质，温度变化1℃所需吸收或放出的热量，也称容积热容量。用CV表示。单位为J/(m3﹒℃)。

质量比热和容积比热的关系为：ρCm=CVJY（3-2）式中ρ为土壤密度。

从定义可以看出：土壤热容量越大，则它的温度升高或降低1℃所需吸收和放出的热量就越多。反之如果吸收和放出的热量相等，那么热容量大的土壤温度变化就小，也就是说温度变化比较缓和。

那么，哪些土壤的热容量大，哪些土壤的热容量小呢？由于各种土壤的物质组成成分、密度及含水量不同，使得它们的热容量变化范围很大。例如干高岭土的容积比热是840J/(m3﹒℃)，当土中含水量分别增加到50%和100%时，它们的容积比热将分别增加到2090J/(m3﹒℃)和3350J/(m3﹒℃)。这是因为空气的热容量小，水的热容量大，是空气的3000多倍。所以影响土壤热容量的主要因素是土壤中水和空气所占比例。土壤湿度增大时，土壤中空气含量减少，热容量增大；土壤湿度减小时，土壤中空气含量增多，热容量减小。另外，在土壤含水量不变的情况下，热容量还随土壤孔隙度的增大而减小。例如耕翻后的土壤，土壤孔隙度增加，如果土壤含水量没有增加，则热容量变小，当获得热能后升温迅速。

2.热导率（Thermal conductivity）

自然界物体间若存在温差时，就会产生热能的传递，热流的方向总是由高温指向低温。物体传递热量的能力用热导率来表示。对于土壤来讲也具有同样的规律，土壤传递热量能力的大小也用热导率表示。热导率也称导热率用λ表示，它的定义是指，当温度垂直梯度为1℃/m，单位时间通过单位水平截面积所传递的热量，单位是J/(℃﹒m﹒s)。也就是说，某层土壤厚度为1m，两边温差为1.0 ℃时，两个相对应的单位面积，每秒钟所传递的热量。

土壤的热导率大，说明土壤传递热量的能力强，传递热量的速度快，在同一时间内传递的热量越多。当温度垂直梯度相同时，热导率大的土壤，热量容易传入深层或从深层得到热量，因而表层土壤温度变化小。如潮湿土壤和干燥土壤相比，潮湿土壤表层昼夜温差小。若土壤的热导率小，则情况相反。

那么，土壤热导率的大小和哪些因素有关呢？土壤热导率的大小取决于土壤组成成分及其所占比例。由表3.3可知，土壤中固体成分的热导率最大，空气最小，水的热导率居中，但仍为空气的28倍。通常情况下，土壤固体成分很少变化，所以在一定的土壤条件下，影响热导率最主要的因子，是土壤孔隙度和土壤含水量。土壤热导率随土壤孔隙度的增加而减小，见图3.5，随土壤湿度的增加而增加。此外土壤中有机质含量也影响热导率，一般有机质含量增多，可使热导率变小，原因是有机质含量增多使土壤孔隙度增大。

3.热扩散率(Thermal diffusivity)

热扩散率是指在一定的热量得失情况下，土壤温度变化快慢的一个物理量，通常用K表示，它的大小与土壤热导率成正比与土壤热容量成反比，单位是m2/s。可用下式表示

K=λ/CVs（3-3）

式中K为热扩散率；λ为热导率；CVs为容积比热。

由于土壤热扩散率与土壤热导率成正比，与土壤容积比热成反比，所以，土壤热导率越大、土壤容积比热越小，土壤热扩散率就越大，土壤温度变化越快。反之，土壤热导率越小、土壤容积比热越大，土壤热扩散率就越小，土壤温度变化越慢。

下面看一看影响土壤热扩散率大小的因子，从公式（3-3）可以看出，凡影响土壤热导率和土壤容积比热大小的因子都影响土壤热扩散率的大小，如土壤有机质的多少、土壤孔隙度的大小及土壤湿度等都影响土壤热扩散率的大小。但是，土壤热扩散率与土壤湿度B(%)的关系是比较复杂的，原因是土壤水分含量的变化即影响土壤热导率又影响土壤容积比热，因此对土壤热扩散率的影响并非简单的线性关系，根据试验和观测表明，在土壤湿度较小的情况下，随着土壤湿度的增大土壤热扩散率增加，但当土壤湿度超过一定数值以后，因热导率的增加不显著，而容积比热仍随湿度线性增加，所以土壤热扩散率反而下降了。

对于热扩散率大的土壤来说，如湿润的粘土，白天，当获得太阳辐射能后，它很快将表层得到的热量传递到土壤深层，这样土壤表层温度就不会过高；夜间，当土壤表面由于地面有效辐射失去热量时，它又可以把土壤深层的热量很快传递到土壤表层来，使土壤表层的夜间温度不致太低。因此这种土壤的地面温度不易出现极端值（即白天地温过高，夜间地温又过低），这对作物的生长是非常有利的。相反，如果土壤的热扩散率很小，如干燥的泥炭土，白天，它不易将地表的热量迅速传递到土壤深层，使白天地表温度过高；夜间，它又不易将土壤深层的热量传递到土壤表面，致使夜间地表面温度过低。所以这种土壤很容易出现极端温度，使生长在它上面的作物极易受到冻害或热害的威胁。

二、土壤温度的日、年变化

由于地球的自转和公转，使到达地面的太阳辐射出现周期性的日变化和年变化，因而土壤温度也相应地表现出周期性的日变化和年变化。温度的这种周期性变化，可以用较差和位相来描述。较差是指一定周期内，最高温度与最低温度之差。位相是指最高温度和最低温度出现的时间。

1.日变化

土壤温度在一昼夜间随时间的连续变化，称为土壤温度的日变化，见下图：

观测表明，一天中土壤温度有一个最高值和一个最低值，两者之差为土温日较差。一般土壤表面的最高温度出现在13时左右，最低温度出现在将近日出时。因为正午以后，虽然太阳辐射逐渐减弱，但土壤表面吸收的太阳辐射能仍大于其由长波辐射、分子传导、蒸发等方式所支出的热量，即土壤表面的热量收支差额仍为正值，所以温度仍继续上升，直到13时左右，热量收支达到平衡，热量累积达到最大，呈现出最高温度。此后，土表得热少于失热，温度逐渐下降，至次日将近日出时，热量收支再次达到平衡，热量累积值最小，出现一日中最低温度。

土壤表面温度日较差的大小主要受下列因子影响：

• 太阳高度： 是影响土壤表面温度最主要最基本的因子。凡是正午时刻太阳高度大的季节和地区，一日内太阳辐射日变化大，因而土壤表面温度日较差就大。一般正午太阳高度随纬度的增高而减小，所以土壤表面温度日较差也随纬度的增高而减小。中纬度地区正午太阳高度随季节的变化较大，故该地区土壤表面温度日较差随季节的变化也较大。
• 土壤热特性： 热导率大的土壤，当表面获得热量时，有较多的热量传向深层；表层冷却时，又有较多的热量自深层传至土表，因而使土表日较差小；热导率小的土壤则表层温度日较差大。热容量大的土壤，温度日较差小；相反，热容量小的土壤温度日较差大。
• 土壤颜色： 深色土壤表面比浅色土壤表面的温度日较差大。这是由于两种不同土壤对太阳辐射的反射率不同而引起的。
• 地形： 地形主要影响湍流热交换。与平地相比，凸起地由于通风良好，湍流交换旺盛，白天温度不易升高，夜间温度不易降低，因而温度日较差比平地小，凹地则相反，其湍流交换弱，白天热量不易散失，夜间除辐射冷却外，冷空气沿坡下滑汇集到凹地，更加剧了地面的冷却，故凹地土壤表面温度日较差大于平地。
• 天气： 晴天土壤表面温度日较差比阴天大。因为云层在白天能消弱太阳辐射，使地面增温少，夜间能向地面投射较多的大气逆辐射，减少了地面有效辐射，故阴天的土壤表面温度日较差小。

但实际上，土壤温度日较差的小是由上述各种因子综合影响的结果。

2.年变化

土壤表面温度的年变化，主要取决太阳辐射能的年变化。在北半球中、高纬度地区，土壤表面月平均最高温度，一般出现在7～8月；月平均最低温度出现在1～2月。它们分别落后于太阳辐射最强的夏至和最弱的冬至月份，见下图：

一年中，月平均温度的最高值和月平均温度的最低值之差，称为温度年较差或年变幅。

土壤表面温度的年较差随纬度的增高而增大，例如：广州（23°08′N）年较差为15.9℃；北京（39°57′N）为34.7℃；齐齐哈尔（47°20′N）为47.8℃。这是由于太阳辐射的年变化随纬度增高而增大引起的。

土壤的自然覆蓋（植被和雪的覆蓋），对土壤温度年较差有很大影响。裸露土壤的温度年较差比夏季和冬季处于自然覆蓋下的土壤温度年较差大。

其它如土壤热特性、地形、天气条件等因子对年较差的影响与日较差大体相同。

三、土壤温波方程

由于土壤温度的周期性日、年变化曲线非常有规律，呈现正弦曲线，所以可用土壤温波方程来描述。当我们假设土壤结构是均一的、无限深的前提下对地面以下任何一个深度，任一时刻的温度来讲，可用方程（3-4）表示：

T(z,t)=T+A(0)e-z/Dsin(ωt-z/D)（3-4）

方程中T(z,t)表示z深度t时刻的土壤温度，单位用℃；T为地表平均温度(℃)；A(0) 为地表温波振幅（即最高温度为T+A(0),最低温度为T--A(0)；ω为土温曲线的正弦角度，ω=2π/τ，τ为周期（如:土温日变化的周期为24h，年变化的周期为365d）；z为观测深度；t为观测时间，当T＝T时，t＝0，即：以土温等于地面平均温度时的观测时间作为起点；D为土温衰减深度（Damping depth），单位为m。

由上述温波方程可得出土壤温度变化的一般规律：

• 若土壤深度按算术级数增加，则土壤温度的振幅按几何级数减小。
• 土温最高温度和最低温度出现时间，随深度的增加而滞后。

四、土壤温度的垂直分布

由于土壤中各层热量昼夜不断地进行交换，使得土壤温度的垂直分布具有一定的特点。根据观测结果，可将土壤温度的垂直分布归纳为三种类型：即日射型、辐射型、过渡型。

• 日射型土壤温度随深度增加而降低的类型。一般出现在白天和夏季，当土壤表面获得太阳辐射后首先增温，热量由地表向下层传递，可用一日中13时和一年中7月份的土壤温度垂直分布为代表，如下图：土壤温度的垂直分布日变化
  
  土壤温度的垂直分布

• 辐射型：土壤温度随深度增加而增加的类型。一般出现在夜间和冬季，是由土壤表面首先辐射冷却造成的，热量由下层向地表传递。可用一日中01时和一年中的1月份的土壤温度垂直分布来代表。
• 过渡型：土壤上、下层温度的垂直分布分别具有日射型和辐射型的特征。一般出现于昼与夜（或冬与夏）的过渡时期，分别以9时、19时和4月、10月份的土壤温度垂直分布为代表。