《Journal of Hydrology》：Effect of water salinity on the soil freezing-thawing characteristic curve of sandy soils
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未冻水含量随冻融循环变化规律及介电常数校准方法研究。通过对比不同粒径土壤（砂、砂-粉土、砂-粘土）和盐浓度（0%-5% NaCl）的冻融实验，发现盐度显著抑制孔隙水结冰，滞后现象主要由超冷却主导，且滞后量随盐浓度增加而减小。提出基于介电常数温度校正的未冻水含量量化方法，经NMR验证精度达92.3%。揭示了土壤基质特性与盐度耦合作用下孔隙水相变的主导机制转变规律。
吴艳迪|唐安明|让-米歇尔·佩雷拉|拉希玛·西迪-布莱努阿尔|克里斯特尔·塔比谢|胡丽明
中国清华大学水利工程系水科学与工程国家重点实验室，北京100084
摘要
了解冻土中未冻结水分含量的变化模式对于预测寒冷地区的水力-力学过程至关重要。本研究通过测量冻结和融化过程中未冻结水分含量的变化，来探讨土壤基质和盐度的作用，并表征冻融滞后现象。实验在三种不同细粒度和矿物组成的沙质土壤上进行（100%沙子、80%沙子+20%粉砂、80%沙子+20%粘土），每种土壤分别添加了四种浓度的NaCl（0%、1%、3%、5%）。提出了一种基于介电常数测量的盐渍土中未冻结水分含量的校准方法。结果表明，在盐渍条件下，过冷是导致滞后现象的主要原因。滞后幅度表现为临界过冷温度与平衡冻结温度之间的差值，且随盐浓度的增加而减小。过冷阶段后冰在宏观孔隙中的形成使盐分集中在微观孔隙中，从而使盐度成为抑制孔隙水冻结的主要因素。此外，土壤的平衡冻结温度与溶液的冰点之间的差值随盐度的增加而增大，表明土壤基质电位和渗透压电位可能对孔隙水冻结具有耦合抑制作用。结合文献中的实验数据进行分析后发现，随着盐浓度的增加，包括沙子、粉砂和粘土在内的不同类型土壤的未冻结水分饱和度变化表现出相似的趋势，这表明控制孔隙水冻结的机制从土壤基质主导转变为盐度主导。
引言
冻土在全球范围内广泛分布（Xu等人，2010年）。它通常由土壤颗粒、冰、空气和未冻结的水组成。由于土壤基质的影响，即使温度低于冰点，部分水仍能保持液态。这种未冻结的水在控制冻土的强度（Ren等人，2023年）、渗透性（Tabbiche等人，2025年；Wang等人，2025b年）和热性质（Vu等人，2023b年）方面起着关键作用，从而影响寒冷地区的结构稳定性和土壤水文过程（Bi等人，2025年）。因此，全面了解未冻结水分含量的变化对于提高工程基础设施的稳定性、优化水资源管理和提高寒冷地区的农业生产力至关重要（Wu等人，2025年；Zhang等人，2022年）。
多种因素，包括土壤基质特性和孔隙流体性质，控制着未冻结水分的含量。从土壤基质的角度来看，先前的研究表明，颗粒大小分布、比表面积和表面电荷特性共同调节了土壤-水相互作用，从而影响未冻结水的保持能力（Devoie等人，2022年；Gao等人，2025年；Jin等人，2020年；Wang等人，2017年）。对于给定的土壤，土壤冻结特性曲线（SFCC）描述了温度与未冻结水分含量之间的关系，反映了孔隙网络中毛细力的综合响应以及颗粒表面的物理化学吸附作用。毛细效应主要取决于孔隙大小分布和孔隙连通性，而吸附作用则受矿物组成和表面电荷的影响（Lu，2016年）。这两种机制共同决定了未冻结水分含量随温度下降的减少速率以及在相对较低温度下能够持续存在的结合水量（Bai等人，2026年）。细粒土壤，特别是粘土，通常具有较大的比表面积和强的吸附能力，这促进了矿物表面上多层吸附水膜的形成（Wang和Hu，2023年）。因此，在给定的零下温度下，它们通常比沙质或粉砂土壤保持更高的未冻结水分含量（Wan等人，2022年）。相比之下，粗粒土壤的比表面积较小，孔隙较大，只能维持一层薄的水膜，一旦开始结冰，未冻结水分含量会迅速减少（Teng等人，2021年；Vu等人，2022年）。明确土壤基质在塑造SFCC中的作用为进一步研究其他因素（如孔隙水盐度）对未冻结水行为的影响提供了必要的基础。
除了固体基质外，孔隙流体也通过对溶解盐的浓度和组成的影响来控制未冻结水分（Bing和Ma，2011年；Ma等人，2017年）。溶解盐降低了孔隙水的化学势并降低了冰点，使得相当一部分液态水能够在零下温度下持续存在（Wan等人，2015年；Wu等人，2023年；Ying等人，2025年）。实验研究表明，盐度的增加通常会使SFCC向上移动，即在给定温度下未冻结水分含量增加。这种行为归因于冰点降低和渗透效应的综合作用，这些效应增强了孔隙中的土壤-水保持能力（Hu等人，2023年）。为了更好地分离土壤骨架和盐度对未冻结水分含量的各自影响，应在矿物学和化学组成得到良好控制和表征的样品上进行未冻结水分含量的测量，以明确控制孔隙水冻结的主要机制。
此外，冻结和融化过程中未冻结水分含量的变化还受到冻融滞后的影响（Teng等人，2024年）。在冻结过程中，由于成核障碍，土壤通常会经历一个初始的过冷阶段，直到达到临界温度，此时会发生快速成核并释放潜热。之后，随着冰的逐渐形成，未冻结水分含量会逐步减少（Wu等人，2025年）。然而，在融化过程中，由于小孔隙中冰的持续存在和部分受阻的流动路径，连续液相的重新建立被延迟。因此，融化的曲线往往显示出与相同温度下的冻结曲线相似或更低的未冻结水分含量（Zhou等人，2020年）。一些研究人员基于实验观察，将冻融滞后主要归因于过冷现象（Ren和Vanapalli，2020年；Teng等人，2024年），而另一些研究人员则强调了冻结和融化过程中冰-水界面曲率的差异，并推导出相应的相变温度的定量关系（Tian等人，2014年；Wang等人，2024年）。此外，盐度可能通过改变过冷行为和土壤-水相互作用进一步影响滞后现象（Chen等人，2004年；Tao等人，2023年；Xu等人，2022年）。迄今为止，尽管在多种土壤中都观察到了冻融滞后现象，但在不同条件下的主导机制仍不明确。盐度和土壤基质性质对滞后的单独和耦合效应需要进一步研究，而且在盐渍条件下的系统实验观察仍然很少。
为了研究SFCC，常用的两种实验技术是核磁共振（NMR）（Zhou等人，2025年）和基于介电常数测量的方法，包括时域反射法（TDR）和频域反射法（FDR）（Liu等人，2024年；Vu等人，2022年）。NMR通过直接探测孔隙流体中的氢核来量化未冻结水分，可以在不扰动土壤样本的情况下测量液态水分的比例。然而，NMR需要专门的昂贵仪器，且通常仅适用于相对较小的样本，不易用于大规模或原位监测。相比之下，TDR/FDR更为经济，适用范围更广。这些技术可以根据土壤的表观介电常数推断出体积水分含量，并且可以在实验室和现场环境中使用可靠的探头进行测量（He等人，2021年；Wu等人，2015年）。已经建立了表观介电常数与未冻结非盐渍土壤水分含量之间的经典经验关系（Topp，1980年），后来扩展到了冻土（Smith和Tice，1988年）。然而，当土壤盐度较高时，这些关系的可靠性会降低（Mane等人，2024年）。目前还没有普遍接受的适用于冻渍盐土的TDR/FDR校准框架。这强调了需要进一步的实验工作来建立这种条件下的介电测量校准方法。
本研究的目的是系统地研究颗粒大小和盐度对土壤冻结-融化过程中未冻结水分含量的影响。准备了三种具有不同颗粒大小分布和四种盐度水平的土壤用于实验室测试。本文首先描述了材料特性和实验程序，并详细解释了基于介电常数测量的水分传感器的校准方法。随后展示了实验结果，并详细分析了冻融滞后现象以及土壤基质和盐度如何影响未冻结水分含量。
材料
实验使用了三种类型的颗粒：Fontainebleau NE34沙子、C500硅粉砂和Speswhite高岭土。它们的物理性质总结在表1中。Fontainebleau NE34沙子由99%的二氧化硅组成，其颗粒大小分布与C500硅粉砂不同。C500的粒径中值为4.5微米。沙子与粉砂或粘土按规定的质量比例混合，制备了三种土壤样品：100%沙子、80%沙子+20%粉砂和80%沙子+20%粘土。
实验结果
本节首先以PS_1%样品为例，展示了实验过程中土壤的温度和介电常数变化曲线。然后，展示了校准后三种土壤类型的校准方程拟合结果和SFCCs。
讨论
基于校准后的SFCCs，本节深入研究了盐度对冻融滞后的影响，系统分析了土壤类型和盐度对未冻结水分含量变化的影响，并进一步探讨了控制孔隙水冻结的主要机制。
结论
本研究对三种具有明确组成但不同基质特性的沙质土壤进行了冻结-融化实验，每种土壤都添加了四种浓度的NaCl。建立了一种基于介电常数测量的盐渍冻土中未冻结水分含量的校准方法，同时考虑了温度和盐浓度的影响。该方法通过与其他方法的比较进行了评估和进一步验证（NMR结果）。土壤基质和
CRediT作者贡献声明
吴艳迪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。唐安明：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法学，正式分析，概念化。让-米歇尔·佩雷拉：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查，正式分析，概念化。拉希玛·西迪-布莱努阿尔：软件，资源，方法学。克里斯特尔·塔比谢：资源，方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（51979144）和水科学与工程国家重点实验室（SKLHSE-KF-2025-D-01）的支持。我们感谢中国留学基金委员会（CSC）在吴艳迪访问巴黎国立桥梁与道路学院-巴黎综合理工学院期间提供的支持。
