冻土在我国和世界的其它地区都有着广泛的分布。但一方面,在沿海和内陆如我国华北和西北等广大季节性冻土区长期以来受到土壤盐碱化的危害,严重制约了当地的农业生产,危害我国的粮食安全；另一方面,随着全球气候变暖引起永冻土活化和寒区人类活动的剧增,冻土区所面临的环境污染问题日益凸显。因此,研究冻土中的水分、热量与溶质的迁移转化规律,对于指导人们对冻土区进行合理的开发和利用、维护与修复冻土区的生态环境等许多方面都具有重要意义。为此,本研究在已有研究成果的基础上,探讨了田间尺度下土壤冻结过程中的水分与溶质的状态变化以及迁移转化机理,并采用田间试验观测和数学模型模拟等手段相结合的方法分析了单向冻结土壤中的水分、热量与溶质的迁移转化规律。研究表明,冻土中的水分总是处于热力学非平衡的状态,但是已冻土内极低的水分迁移速率使其冰-水界面相较冻结锋面处更接近于热力学平衡态；冻结锋面则有如移动的蒸发界面,其较低的水势会促使未冻土中的水分向其补给,甚至引起潜水蒸发；但土壤中的水分迁移在剖面上并不是一个连续的过程,其中的绝大部分补给水分都在冻结锋面附近发生了冻结,而不会进入已冻土内。冻土中的溶质具有多种存在状态,可以分为孤立状态(包括溶解于孤立的土壤颗粒表面水膜和溶液泡中的溶质)和开放状态(溶解于土壤颗粒表面连续水膜中的溶质)。其中孤立状态溶质总是向着高温区域迁移,并且会以一定的速率转化为开放状态；开放状态的溶质则在对流和扩散的作用下发生迁移,并且总是趋向于在已冻土层内形成稳定的浓度分布。在以上分析的基础上,本研究建立了一个描述土壤单向冻结过程中的水、热、溶质耦合迁移的数学模型。模型对冻土层、未冻土层和冻结锋面处的水、热、溶质的迁移转化过程进行了有区别描述；该模型假设仅有冻结锋面处的水分处于热力学非平衡,并假设冻土中不同状态溶质具有不同的迁移转化过程。通过在内蒙古河套灌区观测土壤季节性冻结过程中的水、盐迁移过程,并结合模型的模拟结果分析发现：土壤的含水率和含盐量会在冻结前逐渐降低,并在临近冻结时降至最小；而一旦发生冻结便会在短时间内快速增加；其后土壤的含水率便不再发生显著变化,但含盐量会在向下脱盐的作用下逐渐减少。同时,水分、热量和溶质的迁移也会产生交互影响。模拟研究表明,冻结速率越慢,土壤冻结后的含水率增幅越大,而含盐量的增幅则越小。尽管土壤初始含水率和含盐量的增加会在一定程度上减慢冻结速率,但由于未冻土中水分和盐分向冻土的迁移速率会增大,因此土壤冻结后的含水率和含盐量的增幅仍然会随之增加。