川西北高寒区广泛分布着多年冻土与季节性冻土,冻融过程中的土壤水热状况及其变化规律在草场退化、土壤沙化进程中的作用机制尚未明确。本研究通过室内土柱模拟川西北高寒区沙化草地和天然草地土壤经昼夜连续反复冻融、长期冻融过程,探明冻融前后土壤物理性质的变化特征,监测冻融前后土壤的水热运移特征,模型拟合土壤水热运移规律,为合理确定冻融期土壤水热调控技术参数,提高土壤水分生产力,促进川西北高寒区生态及区域经济可持续发展具有重要的现实意义。(1)经过不同的冻融循环模式后,天然草地和沙化草地土壤的物理性质均有差异。连续反复的冻融和长期冻融后,天然草地和沙化草地各层土壤黏粒含量均降低,粉粒和砂粒含量增加,且沙化草地土壤各层砂粒含量高于天然草地;土壤容重较冻融前呈现缓慢下降趋势;毛管孔隙度减少,非毛管孔隙度则有不同程度的升高,总孔隙度整体上也呈现下降趋势。毛管孔隙度随土层深度的增加逐渐降低,非毛管孔隙度随土层深度的增加逐渐升高;沙化草地和天然草地土壤持水性降低。土壤水分特征曲线随着水吸力的增大均表现“快速下降—缓慢下降—基本平稳”的变化趋势,曲线形态较接近,且变幅较一致。(2)采用室内土柱模拟,研究不同冻结和消融时间、温度、次数条件下,土壤剖面不同深度的含水率和温度的变化。结果显示:连续反复冻融交替后,无论是沙化草地还是天然草地各层土壤含水率出现骤升的时刻与湿润锋经过的时刻不尽相同,达到稳定的结束时间基本呈现时间短-长相间隔的规律;长期冻融后,沙化草地和天然草地各层土壤含水率出现骤升和骤降的时刻存在差异,且冻融后土壤出现骤降的时刻明显早于冻融前。沙化草地土壤冻融前土壤温度呈现缓慢降低的趋势,而冻融后土壤温度呈波动上升的趋势;天然草地土壤冻融前温度呈现缓慢升高趋势,而冻融后温度呈波动上升趋势,各层土壤温度变化无明显规律。长期冻融后,沙化草地各层土壤温度随着环境温度的升高呈现出不断增加的趋势,而天然草地各层土壤温度随着环境温度的升高呈现出波动降低的趋势。(3)构建冻融过程中土壤水热运移的数学模型,利用Hydrus-1D软件进行求解,并对土壤水热运移数学模型进行参数率定与模型验证,结果显示:连续反复冻融循环和长期冻融对土壤体积含水量有显著影响,对土壤温度的影响不明显。沙化草地3~5月土壤体积含水率随的深度增加呈减小趋势,6~9月土壤体积含水率随深度的增加而增加;天然草地3~9月土壤体积含水率随深度的增加呈减小趋势。沙化草地和天然草地各层土壤温度与气温的年变化相一致,距表层越近温度变化幅度越大,天然草地各层最高土壤温度略大于沙化草地各层土壤温度。