冻融过程中的土壤含水率变化

土壤在冻结或融化过程中，一个显著的特征就是发生水、冰或冰、水之间的相态变化，使水分子之间的位能减少或增大，从而引起向外界释放或吸收热量的能量交换过程。

图6-1 土壤季节性冻融过程示意图

汾河三坝灌区1999～2000年土壤的季节性冻融过程如图6-1所示，分为不稳定缓慢冻结阶段，快速冻结～拟稳定冻结阶段和融化阶段三个阶段。图中曲线为土壤冻结过程中冻结或融化锋面的推进过程线。该曲线反映了相变温度场在时空上的变化规律。由图6-1可见，土壤季节性冻融过程的特点表现为单向冻结和双向融化，上边界负温变化大而下边界正温变化小，冻结深度及冻融过程主要受上边界气象条件及土壤条件的制约。

冻融过程中土壤含水率的变化，严格地受着地温变化的影响。图6-2（a，b）为平遥三坝灌区试验田块越冬期土壤含水率的变化曲线。与冻融过程相对应，土壤含水率的变化也可以大致分为三个阶段。

1.土壤含水率下降阶段（12月下旬以前）

土壤在11月29日开始出现冻结现象。11月16日实施灌溉后，上层土壤含水率不断下降。12月15日以后，0～12 cm土层冻结，储水量基本稳定、略有增加，而20 cm以下土层储水量仍然下降，12月28日达到最低值。未冬灌的小区，无上述现象。

2.聚墒阶段（12月下旬～02月中旬）

随着冻层不断加厚，冻层内的储水量也开始增加。在2月的中旬含水率达到最高值，远超过聚墒前的水平。

在图6-2（a）中，有一个含水率高值区，即“聚墒区”。表明聚墒数量随时间的变化，曲线的峰值聚墒量达到极限，以后又逐渐减小。但总体上，土壤含水率仍高于聚墒前的水平。

图6-2 冻融过程土壤含水率变化曲线

未灌小区也有相似现象，开始聚墒日期与灌溉小区相近，但消退日期稍早。

3.融化阶段

随着冻层从顶、底两个方向向着中间融化，融化速率由小到大，土壤水分向下迁移，土层水量减少。各个灌溉小区下降幅度都较大，未灌溉小区不明显。

以上过程说明土壤冻融过程中确实发生了水分迁移现象。整个冻融期，土壤含水率不仅在60 cm以内发生剧烈冻融作用的土层内有显著变化，而且在下部土层中也发生了变化。