近日，中國科學院西北生態環境資源研究院高曉清團隊在Water resources research上在線發表題為Modeling the Unfrozen Water Content of Frozen Soil Based on the Absorption Effects of Clay Surfaces的研究論文，闡明了表面效應、吸附作用以及雙電層作用在未凍水的形成中的作用和機理。

凍土中未凍水含量的變化影響著寒區凍土的凍融循環、水文循環，陸氣之間的水分和能量交換，植被生長以及土體的結構強度。目前，未凍水的成因包括毛細作用、表面效應、吸附作用和雙電層結構。除了毛細作用外，少有研究討論其他各種作用在凍土未凍水形成中的貢獻，以及這些作用之間的區別和聯系。這直接影響著未凍水的建模和含量的計算，間接制約了凍土未凍水模型在氣候、水文、生態和工程等領域的應用。

為了解決上述問題，該研究假設極低溫度下（低于-18℃）的未凍水為黏土表面雙電層中的吸附層溶液，雙電層范圍內吸附層外的未凍水為擴散層溶液，雙電層外的未凍水為毛細水（圖1）。基于這一假設，建立了自變量為溫度、比表面積和雙電層參數的未凍水理論模型。考慮到理論模型的輸入參數多且難以獲取，該研究對雙電層的影響因子展開了細致的分析和討論。在此基礎上將理論模型簡化為僅需要溫度和比表面積的參數化模型。在一定溫度范圍內（-1.5℃到-20℃），參數化模型的結果與實驗數據非常吻合（圖2），支持了該假設條件，即黏土表面的雙電層溶液是未凍水的主要組成部分。理論模型、參數化模型與現有半經驗模型在數學結構上的相似性進一步表明黏土的表面效應是凍土未凍水的主要成因。

該研究解釋了表面效應、吸附力和雙電層結構的區別和聯系。表面效應為黏土表面分子和負電荷的綜合效應。吸附力為黏土表面效應產生的一種綜合作用力。吸附力的性質和大小隨著表面距離發生變化。在黏土顆粒表面，黏土分子產生范德華力和化學力，負電荷產生靜電力。當表面距離小于吸附層厚度時，未凍水受到的吸附力為范德華力、化學力和靜電力的合力。當表面距離大于吸附層厚度、小于雙電層厚度時，未凍水受到的吸附力為靜電力。靜電力隨著表面距離呈冪指數衰減。靜電力的分布特征造成未凍水中離子濃度的梯度變化。而溶液離子濃度與其凍結溫度呈線性關系。這闡明了未凍水溶液離子濃度的梯度變化在未凍水含量隨溫度呈指數變化關系中的作用機理。

西北研究院博士靳瀟為論文第一作者，副研究員楊文為論文通訊作者。西北研究院研究員高曉清，副研究員李振朝、博士蔣俊霞，以及中科院大氣物理研究所副研究員趙劍琦參與研究。研究工作獲國家重點研發項目、國家自然科學基金等共資助。

圖1.黏土顆粒表面未凍水的雙電層結構

圖2.參數化模型、半經驗模型的結果和實測未凍水含量的比較

來源：中國科學院西北生態環境資源研究院