土壤冻结过程中水分迁移机理

水分迁移是土壤冻结过程中各种势能综合作用下的质量迁移，整个进程十分复杂。如果把土体与其所在的环境作为一个体系来看，则土中水分处于不断的运动状态，参与大气、地表及下伏水层的水文大循环。从形态学观点来看，土壤中水分的运动取决于控制水分的各种力的变化，包括土粒对水分的吸引力、水的表面张力、重力、渗透压和水汽压等。土中水的运动形式主要有渗入、毛管水上升、蒸发和汽化、水汽扩散、薄膜水迁移、毛管水迁移和地下水流动等。图6-3列举了土中水分分布的物理模型。由图6-3可见，土壤中的矿物颗粒外围主要有三层水膜：吸湿水、薄膜水和毛管水。土中孔隙完全被水充满，即土处于饱和状态时（模型1），冻结状态下土中只有液态水和固态水；土中孔隙未完全被水充满，即土处于非饱和状态时，土中存在气、液和固三种状态的水，而且毛管水可分为管状毛管水（模型2）和闭塞毛管水（模型3）两种情况。针对冻融条件下土壤水分迁移问题，许多学者各自提出自己的理论或假说，达14种之多，主要有：①毛细管作用理论：该理论认为水在毛细管力作用下，沿着土体中裂隙和冻土中的孔隙所形成的毛细管向冻结锋面迁移；②薄膜水理论：认为细颗粒土壤中，水的迁移以薄膜水运动为主，对冻土和融土都适用；③吸附-薄膜理论：它把吸附力和薄膜水迁移理论结合起来，水分从水分子较活跃、水化膜较厚处向水分子较稳定、水化膜较薄处移动等等。

经过几十年的研究、试验，特别是20世纪70年代以后，薄膜水迁移理论已为越来越多的学者所承认和接受（徐学祖，1991）。

薄膜迁移理论认为：介于冰和土壤颗粒间的未冻水膜的厚度是土壤温度的函数，在一定的温度下保持一定的厚度，靠近冰透镜体生长的水膜被吸入冻层，此处的未冻水膜变薄，这样原来未冻水-冰-土壤颗粒系统的平衡状态被打破。为了达到新的平衡，邻近温度较高、未冻水膜较厚处的水分必然向温度较低的未冻水膜处补充。这种迁移是一种水分连续从高温向低温、从薄膜水厚处向薄膜水薄处迁移的结果（见图6-4）。由上述可推论，水膜厚则迁移快，水膜过薄而失去连续性时，液态水停止迁移。粘性土中因土颗粒细小、比表面积大、孔隙小，水分迁移所受摩擦力大，且胶体易阻塞孔隙，但由于毛细势大，所以

图6-3 土壤中水分分布的物理模型

图6-4 土壤中薄膜水迁移示意图

水分迁移速度慢但迁移距离远。温度高表面张力和粘滞性小，温度低表面张力和粘滞性大，水分向温度低处迁移但其迁移速度将减缓。土中易溶盐含量高，表面张力大，虽有利于水分迁移，但水中摩擦力大又使迁移速度减小，同时冰点降低，不利于冻结过程中的水分迁移。该理论建立起土壤冻结过程中未冻水迁移与温度梯度之间的联系，为定量研究土壤冻结过程中的水分运动奠定了基础。非饱和土体中水分迁移量与饱和度密切相关，饱和度降低，水分迁移机制逐步由毛管水、薄膜水向气态水过渡。

薄膜水迁移理论，在冻融土壤水分的研究和生产应用中至今仍在起着积极作用，但由于土壤水形态分类本身的不严密性，该理论目前难以对土壤水分的分布和运动进行定量化研究。近年来，随着现代科学技术的发展，土壤水能态理论的研究以及在此基础上进行的采用数学物理方法对冻融土壤中水分运动的定量化研究不断取得新进展。

自然界的物质都具有能量。由于水分在土壤孔隙中的运动速度很慢，其动能一般很小，常忽略不计。所以，“土水势”就是土壤水分所具有的位能，即势能。对于所研究的冻融土壤系统来说，任意两点的土水势之差，即为此两点间水分运动的驱动力。土水势理论的引入，不仅从根本上解决了土壤水分迁移机制问题（即土壤水分由高土水势区向低土水势区运动，土水势梯度为土壤水分运动的驱动力），而且使采用数学物理方程定量研究土壤水分的时空展布和运动规律问题成为可能。