【內容】

一、土壤熱特性

對於任何性質的土壤，當得到熱量時溫度升高，失去熱量時溫度降低。但是，對於不同性質的土壤，比如乾燥和潮濕土壤，當獲得或失去相同的熱量時，它們升溫和降溫的幅度是不相同的，主要原因是土壤的熱特性不同。土壤的熱特性包括土壤熱容量、熱導率和熱擴散率。

1.熱容量

描述土壤熱容量的物理量有三種，即熱容量、質量比熱和容積比熱。

• 熱容量（Heatcapacity）:表示某物體溫度升高或降低1℃所需吸收或放出的熱量。用C表示，單位為J/℃
• 質量比熱（Mass specific heat）:表示單位質量的物質，溫度變化1℃所需吸收或放出的熱量。用Cm表示，單位為J/(kg﹒℃)。
• 容積比熱（Volume specific heat）:表示單位體積的物質，溫度變化1℃所需吸收或放出的熱量，也稱容積熱容量。用CV表示。單位為J/(m3﹒℃)。

質量比熱和容積比熱的關係為：ρCm=CVJY（3-2）式中ρ為土壤密度。

從定義可以看出：土壤熱容量越大，則它的溫度升高或降低1℃所需吸收和放出的熱量就越多。反之如果吸收和放出的熱量相等，那麼熱容量大的土壤溫度變化就小，也就是說溫度變化比較緩和。

那麼，哪些土壤的熱容量大，哪些土壤的熱容量小呢？由於各種土壤的物質組成成分、密度及含水量不同，使得它們的熱容量變化範圍很大。例如乾高嶺土的容積比熱是840J/(m3﹒℃)，當土中含水量分別增加到50%和100%時，它們的容積比熱將分別增加到2090J/(m3﹒℃)和3350J/(m3﹒℃)。這是因為空氣的熱容量小，水的熱容量大，是空氣的3000多倍。所以影響土壤熱容量的主要因素是土壤中水和空氣所占比例。土壤濕度增大時，土壤中空氣含量減少，熱容量增大；土壤濕度減小時，土壤中空氣含量增多，熱容量減小。另外，在土壤含水量不變的情況下，熱容量還隨土壤孔隙度的增大而減小。例如耕翻後的土壤，土壤孔隙度增加，如果土壤含水量沒有增加，則熱容量變小，當獲得熱能後升溫迅速。

2.熱導率（Thermal conductivity）

自然界物體間若存在溫差時，就會產生熱能的傳遞，熱流的方向總是由高溫指向低溫。物體傳遞熱量的能力用熱導率來表示。對於土壤來講也具有同樣的規律，土壤傳遞熱量能力的大小也用熱導率表示。熱導率也稱導熱率用λ表示，它的定義是指，當溫度垂直梯度為1℃/m，單位時間通過單位水平截面積所傳遞的熱量，單位是J/(℃﹒m﹒s)。也就是說，某層土壤厚度為1m，兩邊溫差為1.0 ℃時，兩個相對應的單位面積，每秒鐘所傳遞的熱量。

土壤的熱導率大，說明土壤傳遞熱量的能力強，傳遞熱量的速度快，在同一時間內傳遞的熱量越多。當溫度垂直梯度相同時，熱導率大的土壤，熱量容易傳入深層或從深層得到熱量，因而表層土壤溫度變化小。如潮濕土壤和乾燥土壤相比，潮濕土壤表層晝夜溫差小。若土壤的熱導率小，則情況相反。

那麼，土壤熱導率的大小和哪些因素有關呢？土壤熱導率的大小取決於土壤組成成分及其所占比例。由表3.3可知，土壤中固體成分的熱導率最大，空氣最小，水的熱導率居中，但仍為空氣的28倍。通常情況下，土壤固體成分很少變化，所以在一定的土壤條件下，影響熱導率最主要的因子，是土壤孔隙度和土壤含水量。土壤熱導率隨土壤孔隙度的增加而減小，見圖3.5，隨土壤濕度的增加而增加。此外土壤中有機質含量也影響熱導率，一般有機質含量增多，可使熱導率變小，原因是有機質含量增多使土壤孔隙度增大。

3.熱擴散率(Thermal diffusivity)

熱擴散率是指在一定的熱量得失情況下，土壤溫度變化快慢的一個物理量，通常用K表示，它的大小與土壤熱導率成正比與土壤熱容量成反比，單位是m2/s。可用下式表示

K=λ/CVs（3-3）

式中K為熱擴散率；λ為熱導率；CVs為容積比熱。

由於土壤熱擴散率與土壤熱導率成正比，與土壤容積比熱成反比，所以，土壤熱導率越大、土壤容積比熱越小，土壤熱擴散率就越大，土壤溫度變化越快。反之，土壤熱導率越小、土壤容積比熱越大，土壤熱擴散率就越小，土壤溫度變化越慢。

下面看一看影響土壤熱擴散率大小的因子，從公式（3-3）可以看出，凡影響土壤熱導率和土壤容積比熱大小的因子都影響土壤熱擴散率的大小，如土壤有機質的多少、土壤孔隙度的大小及土壤濕度等都影響土壤熱擴散率的大小。但是，土壤熱擴散率與土壤濕度B(%)的關係是比較復雜的，原因是土壤水分含量的變化即影響土壤熱導率又影響土壤容積比熱，因此對土壤熱擴散率的影響并非簡單的線性關係，根據試驗和觀測表明，在土壤濕度較小的情況下，隨著土壤濕度的增大土壤熱擴散率增加，但當土壤濕度超過一定數值以後，因熱導率的增加不顯著，而容積比熱仍隨濕度線性增加，所以土壤熱擴散率反而下降了。

對於熱擴散率大的土壤來說，如濕潤的粘土，白天，當獲得太陽輻射能後，它很快將表層得到的熱量傳遞到土壤深層，這樣土壤表層溫度就不會過高；夜間，當土壤表面由於地面有效輻射失去熱量時，它又可以把土壤深層的熱量很快傳遞到土壤表層來，使土壤表層的夜間溫度不致太低。因此這種土壤的地面溫度不易出現極端值（即白天地溫過高，夜間地溫又過低），這對作物的生長是非常有利的。相反，如果土壤的熱擴散率很小，如乾燥的泥炭土，白天，它不易將地表的熱量迅速傳遞到土壤深層，使白天地表溫度過高；夜間，它又不易將土壤深層的熱量傳遞到土壤表面，致使夜間地表面溫度過低。所以這種土壤很容易出現極端溫度，使生長在它上面的作物極易受到凍害或熱害的威脅。

二、土壤溫度的日、年變化

由於地球的自轉和公轉，使到達地面的太陽輻射出現周期性的日變化和年變化，因而土壤溫度也相應地表現出周期性的日變化和年變化。溫度的這種周期性變化，可以用較差和位相來描述。較差是指一定周期內，最高溫度與最低溫度之差。位相是指最高溫度和最低溫度出現的時間。

1.日變化

土壤溫度在一晝夜間隨時間的連續變化，稱為土壤溫度的日變化，見下圖：

觀測表明，一天中土壤溫度有一個最高值和一個最低值，兩者之差為土溫日較差。一般土壤表面的最高溫度出現在13時左右，最低溫度出現在將近日出時。因為正午以後，雖然太陽輻射逐漸減弱，但土壤表面吸收的太陽輻射能仍大於其由長波輻射、分子傳導、蒸發等方式所支出的熱量，即土壤表面的熱量收支差額仍為正值，所以溫度仍繼續上升，直到13時左右，熱量收支達到平衡，熱量累積達到最大，呈現出最高溫度。此後，土表得熱少於失熱，溫度逐漸下降，至次日將近日出時，熱量收支再次達到平衡，熱量累積值最小，出現一日中最低溫度。

土壤表面溫度日較差的大小主要受下列因子影響：

• 太陽高度： 是影響土壤表面溫度最主要最基本的因子。凡是正午時刻太陽高度大的季節和地區，一日內太陽輻射日變化大，因而土壤表面溫度日較差就大。一般正午太陽高度隨緯度的增高而減小，所以土壤表面溫度日較差也隨緯度的增高而減小。中緯度地區正午太陽高度隨季節的變化較大，故該地區土壤表面溫度日較差隨季節的變化也較大。
• 土壤熱特性： 熱導率大的土壤，當表面獲得熱量時，有較多的熱量傳向深層；表層冷卻時，又有較多的熱量自深層傳至土表，因而使土表日較差小；熱導率小的土壤則表層溫度日較差大。熱容量大的土壤，溫度日較差小；相反，熱容量小的土壤溫度日較差大。
• 土壤顏色： 深色土壤表面比淺色土壤表面的溫度日較差大。這是由於兩種不同土壤對太陽輻射的反射率不同而引起的。
• 地形： 地形主要影響湍流熱交換。與平地相比，凸起地由於通風良好，湍流交換旺盛，白天溫度不易升高，夜間溫度不易降低，因而溫度日較差比平地小，凹地則相反，其湍流交換弱，白天熱量不易散失，夜間除輻射冷卻外，冷空氣沿坡下滑匯集到凹地，更加劇了地面的冷卻，故凹地土壤表面溫度日較差大於平地。
• 天氣： 晴天土壤表面溫度日較差比陰天大。因為云層在白天能消弱太陽輻射，使地面增溫少，夜間能向地面投射較多的大氣逆輻射，減少了地面有效輻射，故陰天的土壤表面溫度日較差小。

但實際上，土壤溫度日較差的小是由上述各種因子綜合影響的結果。

2.年變化

土壤表面溫度的年變化，主要取決太陽輻射能的年變化。在北半球中、高緯度地區，土壤表面月平均最高溫度，一般出現在7～8月；月平均最低溫度出現在1～2月。它們分別落後於太陽輻射最強的夏至和最弱的冬至月份，見下圖：

一年中，月平均溫度的最高值和月平均溫度的最低值之差，稱為溫度年較差或年變幅。

土壤表面溫度的年較差隨緯度的增高而增大，例如：廣州（23°08′N）年較差為15.9℃；北京（39°57′N）為34.7℃；齊齊哈爾（47°20′N）為47.8℃。這是由於太陽輻射的年變化隨緯度增高而增大引起的。

土壤的自然覆蓋（植被和雪的覆蓋），對土壤溫度年較差有很大影響。裸露土壤的溫度年較差比夏季和冬季處於自然覆蓋下的土壤溫度年較差大。

其它如土壤熱特性、地形、天氣條件等因子對年較差的影響與日較差大體相同。

三、土壤溫波方程

由於土壤溫度的周期性日、年變化曲線非常有規律，呈現正弦曲線，所以可用土壤溫波方程來描述。當我們假設土壤結構是均一的、無限深的前提下對地面以下任何一個深度，任一時刻的溫度來講，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時刻的土壤溫度，單位用℃；T為地表平均溫度(℃)；A(0) 為地表溫波振幅（即最高溫度為T+A(0),最低溫度為T--A(0)；ω為土溫曲線的正弦角度，ω=2π/τ，τ為周期（如:土溫日變化的周期為24h，年變化的周期為365d）；z為觀測深度；t為觀測時間，當T＝T時，t＝0，即：以土溫等於地面平均溫度時的觀測時間作為起點；D為土溫衰減深度（Damping depth），單位為m。

由上述溫波方程可得出土壤溫度變化的一般規律：

• 若土壤深度按算術級數增加，則土壤溫度的振幅按幾何級數減小。
• 土溫最高溫度和最低溫度出現時間，隨深度的增加而滯後。

四、土壤溫度的垂直分布

由於土壤中各層熱量晝夜不斷地進行交換，使得土壤溫度的垂直分布具有一定的特點。根據觀測結果，可將土壤溫度的垂直分布歸納為三種類型：即日射型、輻射型、過渡型。

• 日射型土壤溫度隨深度增加而降低的類型。一般出現在白天和夏季，當土壤表面獲得太陽輻射後首先增溫，熱量由地表向下層傳遞，可用一日中13時和一年中7月份的土壤溫度垂直分布為代表，如下圖：土壤溫度的垂直分布日變化
  
  土壤溫度的垂直分布

• 輻射型：土壤溫度隨深度增加而增加的類型。一般出現在夜間和冬季，是由土壤表面首先輻射冷卻造成的，熱量由下層向地表傳遞。可用一日中01時和一年中的1月份的土壤溫度垂直分布來代表。
• 過渡型：土壤上、下層溫度的垂直分布分別具有日射型和輻射型的特徵。一般出現於晝與夜（或冬與夏）的過渡時期，分別以9時、19時和4月、10月份的土壤溫度垂直分布為代表。