土壤结构差异对热量传导与平衡的影响
2022-06-09
引言
2012年4月下旬，山西省气象计量所的工作人员在运城市气象局芮城县自动气象站进行现场校准时，据站上的工作人员反应，同处观测场内的浅层地温观测区，自动站与人工站温度读数有误差，且最大时相差2～3℃，怀疑自动站地温传感器有问题。
计量所的工作人员随后将自动气象站与人工站浅层地温传感器取出后进行现场校准，发现自动气象站与人工站的地温传感器读数，与标准温度表的读数差值在±0.1℃范围内，完全符合气象仪器使用规范。其结果如表1所示。
标校结果表明自动气象站与人工站地温传感器工作正常，人工站温度表也在检定使用周期范围内，并且温度表外观完好无损，没有影响使用的缺陷。那是什么原因使自动气象站与人工站浅层地温传感器的温度产生那么大的误差呢？
在分析其原因过程中无意听到站上的工作人员讲：自动气象站的地温传感器安置好后就不会有人动它，怕损坏，而人工站的地温传感器周边的土壤在一定时间内要进行松土。为了弄清楚这种情况，笔者对山西省境内的土壤结构特点及分布概况做了一些调查和了解，以便从中找到答案。
1山西省土壤结构概况
山西省《简明农业气候区划》中对有关山西省土壤结构的种类及分布情况有较为详细的说明，全省气象台站观测场浅层地温观测区的常见土壤土质为沙质土、黏质土和壤土，或者是它们之间的混合土质。
三种土壤的水土保持特性不同，水的容积热容量较其他物质要大得多，各土壤层次结构对水分吸附能力存在差异。其次是土壤都是由固体成分和不定量的水与空气组成，组成的成分极不均衡，是导致热量传导与平衡特性不均的一个重要因素。下面是沙质土、黏质土和壤土的水分和空气运动的物理特性，如表2所示。
为了搞清楚3种土壤对温度变化的滞后性及程度，笔者分别对它们的温度传导滞后性与热量平衡的稳定性进行了对比观测试验，以便观察其在外界温度变化时3种土壤内部温度变化的规律与特征。
2测试实验
2.1测试材料
测试土壤材料标本分别为沙质土、黏质土和庒稼地的壤土。
2.2测试方法和依据
将3种土壤以等体积自然沉降结构方式至大地水平面上，每一种土壤中心相同位置放置一个温度传感器，温度显示器将同时显示3种土壤的温度读数，观察它们的温度与外界温度变化的滞后特性。如图1所示。
1壤土、沙质土、黏质土在自然环境中温度读取示意图
不同性质的物质，具有不同的热属性，即使热量差额相同，他们的温度变化也不相同。这是物质的热属性所决定的，由于每一种物质的温度变化1℃时需要吸收或放出的热量不等。再者物质的导热率等于该物质厚度为1cm，上下界温差为1℃时，每秒钟通过1cm2面积的热量。对于土壤，它是裸露在大自然中的物质，其结构形式多种多样，地表浅层的热量传导、温度变化不仅受垂直方向上虚实程度的影响，土壤湿度、颗粒大小与均匀程度等都会对其产生非对称性影响。
2.3实验取证
具体做法：挖一个长120cm、宽40cm、深30cm的矩形坑，将上述3种土壤依次放入，表面水平，取3支误差接近的温度表，直接插在各种土壤的正中心地方。在一段时间内按一定时间间隔读取温度表读数，取一位小数。经过测试发现；这3种类型的土壤在同样的太阳辐射、地表环境温度、大气环境温度及湿度下，其内部的温度变化存在一定的差异，如表3所示。
3诱导公式
3.1热传导的基本公式
式中Q--代表为热量（W）；
K--为材料的热传导系数，热传导系数与比热成反比（W/M2·℃）；
A--代表传热的面积（或是两物体的接触面积）（M2）；
ΔT--代表两端的温度差（℃）；
ΔL--则是两端的距离（M）。
3.2热平衡方程
下列公式是土壤地表面热平衡的一般方程表达式：
Q=（S'+D）-Qr-E0±P±La±V
式中S'+D--是太阳辐射（直接辐射和散射辐射）的收入量；
Qr--反射辐射；
E0--有效辐射；
P--白天流向土壤深处的热通量和夜间从土壤较深处流到土壤表面的热通量；
La--消耗与蒸发的热和夜间由于凝结所收入的热（a为蒸发或凝结的水汽量，L为蒸发热）；
V--白天由土壤传递给邻近空气的热量和夜间自空中流来的热量。
引起土壤温度变化的另一个原因是地表面热量收支情况，很显然，当Q为正值时土壤温度将升高；Q为负值时土壤温度则降低。比较上述3种土壤的温度传导与热量平衡特性：沙质土壤的含沙量高，颗粒粗糙，渗水速度快与保水性能差，但通气性能好，热量传导速度比其他两种土壤的速度要快，与地表温度平均差值为9.4℃左右。壤土次之，含沙量适中，颗粒不均匀，渗水速度平稳，保水性能较好，通气性一般，与地表温度平均差值为10.3℃左右。黏质土最慢，含沙量小颗粒细腻，渗水速度慢保水性能好但通气性能差，热量传导率低，与地表温度平均差值为10.9℃左右。这是因为就物质固态、液态和气态而言，热量在气态中传导速度最快，固态中传导最慢而在液态中介于前两者之间。就同一种土壤而言，土质的虚实程度不同，其热量传导速度也存在差异。
2012年4月下旬，山西省气象计量所的工作人员在运城市气象局芮城县自动气象站进行现场校准时，据站上的工作人员反应，同处观测场内的浅层地温观测区，自动站与人工站温度读数有误差，且最大时相差2～3℃，怀疑自动站地温传感器有问题。
计量所的工作人员随后将自动气象站与人工站浅层地温传感器取出后进行现场校准，发现自动气象站与人工站的地温传感器读数，与标准温度表的读数差值在±0.1℃范围内，完全符合气象仪器使用规范。其结果如表1所示。
标校结果表明自动气象站与人工站地温传感器工作正常，人工站温度表也在检定使用周期范围内，并且温度表外观完好无损，没有影响使用的缺陷。那是什么原因使自动气象站与人工站浅层地温传感器的温度产生那么大的误差呢？
在分析其原因过程中无意听到站上的工作人员讲：自动气象站的地温传感器安置好后就不会有人动它，怕损坏，而人工站的地温传感器周边的土壤在一定时间内要进行松土。为了弄清楚这种情况，笔者对山西省境内的土壤结构特点及分布概况做了一些调查和了解，以便从中找到答案。
1山西省土壤结构概况
山西省《简明农业气候区划》中对有关山西省土壤结构的种类及分布情况有较为详细的说明，全省气象台站观测场浅层地温观测区的常见土壤土质为沙质土、黏质土和壤土，或者是它们之间的混合土质。
三种土壤的水土保持特性不同，水的容积热容量较其他物质要大得多，各土壤层次结构对水分吸附能力存在差异。其次是土壤都是由固体成分和不定量的水与空气组成，组成的成分极不均衡，是导致热量传导与平衡特性不均的一个重要因素。下面是沙质土、黏质土和壤土的水分和空气运动的物理特性，如表2所示。
为了搞清楚3种土壤对温度变化的滞后性及程度，笔者分别对它们的温度传导滞后性与热量平衡的稳定性进行了对比观测试验，以便观察其在外界温度变化时3种土壤内部温度变化的规律与特征。
2测试实验
2.1测试材料
测试土壤材料标本分别为沙质土、黏质土和庒稼地的壤土。
2.2测试方法和依据
将3种土壤以等体积自然沉降结构方式至大地水平面上，每一种土壤中心相同位置放置一个温度传感器，温度显示器将同时显示3种土壤的温度读数，观察它们的温度与外界温度变化的滞后特性。如图1所示。
1壤土、沙质土、黏质土在自然环境中温度读取示意图
不同性质的物质，具有不同的热属性，即使热量差额相同，他们的温度变化也不相同。这是物质的热属性所决定的，由于每一种物质的温度变化1℃时需要吸收或放出的热量不等。再者物质的导热率等于该物质厚度为1cm，上下界温差为1℃时，每秒钟通过1cm2面积的热量。对于土壤，它是裸露在大自然中的物质，其结构形式多种多样，地表浅层的热量传导、温度变化不仅受垂直方向上虚实程度的影响，土壤湿度、颗粒大小与均匀程度等都会对其产生非对称性影响。
2.3实验取证
具体做法：挖一个长120cm、宽40cm、深30cm的矩形坑，将上述3种土壤依次放入，表面水平，取3支误差接近的温度表，直接插在各种土壤的正中心地方。在一段时间内按一定时间间隔读取温度表读数，取一位小数。经过测试发现；这3种类型的土壤在同样的太阳辐射、地表环境温度、大气环境温度及湿度下，其内部的温度变化存在一定的差异，如表3所示。
3诱导公式
3.1热传导的基本公式
式中Q--代表为热量（W）；
K--为材料的热传导系数，热传导系数与比热成反比（W/M2·℃）；
A--代表传热的面积（或是两物体的接触面积）（M2）；
ΔT--代表两端的温度差（℃）；
ΔL--则是两端的距离（M）。
3.2热平衡方程
下列公式是土壤地表面热平衡的一般方程表达式：
Q=（S'+D）-Qr-E0±P±La±V
式中S'+D--是太阳辐射（直接辐射和散射辐射）的收入量；
Qr--反射辐射；
E0--有效辐射；
P--白天流向土壤深处的热通量和夜间从土壤较深处流到土壤表面的热通量；
La--消耗与蒸发的热和夜间由于凝结所收入的热（a为蒸发或凝结的水汽量，L为蒸发热）；
V--白天由土壤传递给邻近空气的热量和夜间自空中流来的热量。
引起土壤温度变化的另一个原因是地表面热量收支情况，很显然，当Q为正值时土壤温度将升高；Q为负值时土壤温度则降低。比较上述3种土壤的温度传导与热量平衡特性：沙质土壤的含沙量高，颗粒粗糙，渗水速度快与保水性能差，但通气性能好，热量传导速度比其他两种土壤的速度要快，与地表温度平均差值为9.4℃左右。壤土次之，含沙量适中，颗粒不均匀，渗水速度平稳，保水性能较好，通气性一般，与地表温度平均差值为10.3℃左右。黏质土最慢，含沙量小颗粒细腻，渗水速度慢保水性能好但通气性能差，热量传导率低，与地表温度平均差值为10.9℃左右。这是因为就物质固态、液态和气态而言，热量在气态中传导速度最快，固态中传导最慢而在液态中介于前两者之间。就同一种土壤而言，土质的虚实程度不同，其热量传导速度也存在差异。