本书以紫色土坡耕地水土保持需求为导向，开展埂坎渗流和土力学试验；阐述和总结紫色土坡耕地埂坎的结构、功能、利用和性质，研究埂坎分层入渗特性、各向异性并进行入渗模型参数率定和模拟，阐释埂坎的阻隔通道效应；剖析埂坎开裂和裂隙闭合不同过程对渗流的影响、埂坎优先路径及通量，揭示埂坎裂隙演化的渗流效应；研究典型草本植物根系表面粗糙度，以及根-土界面直剪摩阻、抗拉拔及其与根系和土壤性质的关系，阐明埂坎植物根-土界面摩阻特性；研究埂坎土压力分布、埂坎土壤、根土复合体和加筋土壤的抗剪特征及其与主要影响因子的关系，模拟埂坎应力应变分布与稳定性。 本书具有较强的理论性、实践性和应用性，可供从事水土保持、国土整治等相关工作的人员参考使用，也可作为地理学、水土保持学、土壤学等相关专业的科研人员、研究生及本科生的参考用书。

第1章　研究背景
　　1.1　紫色土与紫色土耕地资源
　　1.1.1　紫色土性质
　　紫色土是由紫色砂岩、页岩、泥岩在亚热带和热带气候条件下风化形成的初育土。发育形成过程中，物理风化作用强烈，化学风化和生物风化作用相对较弱，因此，紫色土砾石含量较高，且继承了成土母质的基本理化性质（中国科学院成都分院土壤研究室，1991）。不同地区紫色土的碳酸钙含量因受母岩、侵蚀和沉积等因素的影响而有所差异，其石灰反应多呈中性和碱性反应（慈恩等，2018）。
　　紫色土剖面发育层次不明显，没有显著的腐殖质层（A），表层与母质层（C）之间是过渡层（AC），再往下为母质层，剖面构型基本属A-AC-C型。剖面颜色多呈红紫、暗紫、棕紫、红棕紫、灰棕紫色，上下层颜色接近。土层厚度随地形部位的不同而存在明显差异，多为50～100cm，其中，丘顶或坡地上部土层厚度因侵蚀影响较浅薄，一般小于30cm。
　　紫色土的砂粒和粉粒占比较高，多为70%～90%，粗颗粒较多反映了紫色土岩性、发育程度低的特点。紫色土质地因母岩的差异而不同，以砂壤土为主，黏土矿物以2∶1型的水云母、蒙脱石、绿泥石为主。大部分紫色土都存在石灰反应，碳酸钙含量可高达10%左右，pH为7.5～8.5。但仍存在相当部分紫色土碳酸钙被淋失的情况，故其剖面上部土层中碳酸钙含量常低于1%，pH则降为6.0～7.5，有的甚至全剖面无石灰反应，pH为5.5～6.5（海春兴和陈健飞，2016）。紫色土黏粒的硅含量高于富铁土，铝含量则低于富铁土，铁含量与富铁土相比有高有低。紫色土的风化程度远低于地带性土壤，黏粒的硅铝率和硅铝铁率都显著高于富铁土。
　　紫色土发育程度低，结构疏松且微生物活力强，通常具有粗糙的纹理，砾石含量高，毛管孔隙发达且具有良好的透水性。因此，紫色土易耕作，紫色土区的耕垦指数较高。
　　紫色土有机质含量较低，表层常小于1%，经过长期耕种后，耕层有机质含量可增至1.5%左右。氮含量较贫乏，很少超过0.1%，而磷、钾素却相当丰富，全磷（P2O5）约0.15%，全钾（K2O）在2%以上，微量元素除锌、硼、钼有效量偏低外，其余均较高（海春兴和陈健飞，2016）。
　　1.1.2　紫色土分类
　　紫色土是现行中国土壤发生分类中的一种土类型，隶属初育土纲石质初育土亚纲（寇青青等，2020）。通常，依据土壤的pH和碳酸钙含量可将紫色土划分为酸性紫色土、中性紫色土和石灰性紫色土3个亚类（表1.1）。碳酸钙含量＜1%、pH＜6.5为酸性紫色土；碳酸钙含量为1%～3%、pH6.5～7.5为中性紫色土；碳酸钙含量＞3%、pH＞7.5为石灰性紫色土。依据母质性质差异、紫色岩的沉积相和古水文差异，以及气候（降水）导致母质特性发生某些变化等特殊成土因素，可以进一步将紫色土划分为10个土属（表1.1）。
　　酸性紫色土多发育在地形切割较为强烈的深丘窄谷地区，土壤湿润，淋溶势强，pH小于6.5；土壤质地轻，砂粒含量大于50%，其中粗砂（0.2～2mm）含量大于20%；黏土矿物以蛭石为主，并有少量高岭石，硅铝铁率小于3.0，阳离子交换量15me/100g土左右；土壤全磷含量低于0.035%，全钾含量低于1.60%。
　　中性紫色土是紫色土中肥力水平较高的亚类。土壤发育不深，胶体品质较好，黏土矿物以伊利石为主，土体胀缩性为中度，硅铝率3.2左右；土壤剖面分化不明显，多A-BC-C（B为淀积层，BC为过渡层）和A-C构型；土壤质地适中，细粉粒（0.002～0.02mm）含量大于30%，黏粒（＜0.002mm）占20%左右，多为黏质壤土；土壤有机质（soil organic matter，SOM）、全磷、全钾含量中等，氮素和速效磷不足。阳离子交换量高，一般在20me/100g土左右。
　　石灰性紫色土是侏罗系上中统的蓬莱镇组、遂宁组钙质砂页岩风化物。该亚类土壤碳酸钙含量较丰富且上、下土层母岩的碳酸盐含量变化不大，表现出岩性土的典型性状，土壤pH多为8.1左右。石灰性紫色土通透性好，砂粒含量适宜，耕性良好，易于排涝，宜种性广。土壤多含母质碎屑，大于2mm的石砾含量达10%以上。土壤风化度浅，黏土矿物为母岩沉积时期形成，以伊利石和蒙脱石为主，含有原生矿物云母、钾长石，土壤硅铝率3.2～3.4，阳离子交换量大于20me/100g土。土壤含钾丰富，钾含量一般大于2%。
　　1.1.3　紫色土分布
　　紫色土主要分布在长江流域及以南地区，集中分布区的北界大致为秦岭至淮河一线，大陆南界抵达云南、广西南部的国境线及广东的雷州半岛，西界位于龙门山、邛崃山、大雪山、牦牛山及无量山，介于100°E～123°E和21°N～34°N。从行政区划上看，紫色土主要分布在四川、重庆、云南、贵州、广西、湖南、湖北、江西、浙江、福建、广东、海南、安徽、陕西、河南和江苏16个省（区、市）。中国紫色土的总面积为22万km2，占国土面积的2.3%，其中四川、重庆和云南3省（市）的分布面积*广，如川渝地区以紫色土为主要土壤类型的县（市、区）达76个。广西、湖南、湖北、贵州、浙江和广东等省份以紫色土为主要土壤类型的县（市、区）均在10个以上。
　　紫色土分布区域根据地理条件的不同、土壤性质及开发利用的差异等，可分为四川盆地区、云贵高原区、长江中下游区、华南沿海区（何毓蓉等，2003）。
　　四川盆地区包括盆地内的四川和重庆，紫色土面积约1000万hm2，占中国紫色土面积的46%，是中国紫色土分布*集中的区域。该区地貌以丘陵和低山为主，属亚热带湿润季风气候，湿性常绿阔叶林区。区内多石灰性紫色土和中性紫色土，是中国紫色土分布区域中人口密度*大、土地垦殖指数*高的地区，也是中国重要的粮食、油菜籽及蚕桑、柑橘、油桐等的生产基地。
　　云贵高原区包括云南、贵州及四川的攀西地区，紫色土面积约730万hm2，占中国紫色土面积的33%，是中国第二大紫色土分布区。该区地貌以高原和中低山为主，大部分区域属于冬干、夏湿的西南季风气候，气候垂直变化明显。植被为干性亚热带常绿阔叶林及热带季雨林。区内多石灰性紫色土，是中国*大的彝族、白族、纳西族、景颇族等少数民族的聚居区。
　　长江中下游区包括湖南、湖北、江西、浙江、安徽及江苏，紫色土面积为300万hm2，占中国紫色土面积的14%，为中国第三大紫色土分布区。该区地貌以丘陵为主，其次为低山，属中亚热带和北亚热带气候，植被为湿性的亚热带常绿阔叶林及常绿阔叶与落叶阔叶混交林，南部多酸性和中性紫色土，北部以石灰性紫色土为主。区内人口集中，土地垦殖指数高，是中国水稻、柑橘、茶叶及毛竹林与用材林的重要产区。
　　华南沿海区包括广东、广西、福建及海南等省（区），紫色土面积140万hm2，占中国紫色土面积的6%。区内多低山与丘陵，为南亚热带和热带气候，高温高湿，作物全年皆可生长，森林覆盖率为各紫色土区之冠。
　　1.1.4　紫色土耕地资源
　　中国紫色土有46%分布于四川省和重庆市。四川省紫色土面积为911.33万hm2，占全省土地总面积的18.4%，主要分布于四川盆地内，以四川盆地和川东平行岭谷*为集中。紫色土耕种面积为406.09万hm2，占全省紫色土总面积的44.6%，占全省耕地土壤面积的36.4%。
　　重庆紫色土面积为273.73万hm2，占全市土地总面积的33.22%，主要分布在西部丘陵地区及中部的涪陵、南川、丰都和东部的云阳、忠县、万州、开州一带，在中低山处呈块状分布，大多分布于海拔800m以内（慈恩等，2018）。紫色土耕种面积为89.73万hm2，占全市紫色土总面积的32.80%，占全市耕地土壤面积的47.98%。
　　在气候、地形、土壤特性和人为强烈扰动等因素综合作用下，川渝地区紫色土区土壤退化问题非常严重，紫色土区坡耕地侵蚀强度多大于5897t/(km2 a)，长江上游土壤侵蚀量的60%来自该地区的坡耕地（宋鸽等，2020；叶青等，2020），这使得紫色土区成为仅次于黄土高原的水土流失严重区域（江娜等，2022；史东梅等，2020），是长江流域需要得到重点关注的侵蚀地带。
　　1.2　紫色土坡耕地土壤侵蚀
　　1.2.1　紫色土坡耕地侵蚀强度
　　作物覆盖是坡耕地土壤侵蚀的重要影响因素。植被削弱了雨滴对地表的溅蚀动能，从而抑制了表层土壤分离；同时，作物覆盖可以通过增加土壤中有机质含量和改善土壤团聚体结构提高土壤的抗冲抗蚀能力（郑江坤等，2017）。因此，裸露坡耕地的土壤侵蚀速率明显高于植被覆盖坡耕地（Ju et al.，2013），如苎麻护坎措施下的土壤侵蚀模数为803t/(km2 a)（朱远达等，2003），而裸露坡耕地的侵蚀模数达到了8754t/(km2 a)（董杰等，2006）（表1.2）。
　　坡度和坡长是坡耕地土壤侵蚀的决定性因素。坡度相近的情况下，侵蚀强度随坡长的增加而增强，如坡长15m的坡耕地土壤侵蚀模数为4149t/(km2 a)，而坡长为20m的坡耕地土壤侵蚀模数则达到了5240t/(km2 a)（朱远达等，2003；龙翼等，2010）。这主要是由于随着坡长增加，径流汇集路径增加，侵蚀形态既有坡耕地顶部的溅蚀，同时也会在坡耕地的中下部形成细沟或浅沟侵蚀，侵蚀强度增强。坡度是地形因子中对坡面土壤侵蚀影响*大的因子，其大小在一定程度上决定着径流侵蚀与运移能力（Shen et al.，2016）。土壤侵蚀强度在不同坡度带上存在较大差异，土壤侵蚀敏感区以15°～25°坡耕地为主（向宇国等，2021）。25°以下坡耕地土壤侵蚀模数为803～9452t/(km2 a)（董杰等，2006），其中，中坡（15°～25°）的侵蚀模数介于2300～9452t/(km2 a)，随着坡度增加，侵蚀模数增加较快，是侵蚀强度*强的坡度范围；缓坡（8°～15°）的侵蚀模数介于1295～2502t/(km2 a)（文安邦等，2005），随着坡度增加，侵蚀模数有所增加，但不及中坡的增速大；而微坡（＜8°）的土壤侵蚀强度相对较小，侵蚀模数往往小于1000t/(km2 a)。相比林地、草地而言，坡耕地表层土壤疏松破碎，稳定性团聚体含量较低，且耕作行为的扰动较频繁，其土壤侵蚀强度远远高于其他土地利用方式用地（徐文秀等，2019）。坡长相近的情况下，坡耕地土壤侵蚀速率随坡度增加而增加，侵蚀量也随坡度的增加而增大。坡度对土壤侵蚀速率的影响大于坡长（周璟等，2009）（表1.2）。
　　1.2.2　紫色土坡耕地产流产沙
　　降雨强度对地表径流和壤中流流量具有显著影响，其中大雨是地表径流的主要贡献雨型，而中雨是壤中流的主要贡献雨型（王谊等，2021）。降雨引发土壤侵蚀并导致表土细颗粒流失，造成土壤粗骨化，土壤中黏粒含量高低是反映坡耕地土壤抗蚀能力强弱的有效指标，紫色土中＜0.005mm的粉粒含量越高，土壤抗蚀性越强，土壤侵蚀相对较弱；反之，土壤侵蚀较强（董杰等，2006）。紫色土结构松散，在降雨初始阶段，流失泥沙中颗粒以＜0.02mm的单粒和微团聚体为主，随着径流量增加，所携带泥沙中＞0.02mm的颗粒增多，并且颗粒含量逐渐稳定（何太蓉等，2004），这与红壤和黑土有所不同，在红壤产流初期＞1mm的泥沙较少，＜0.25mm的泥沙较多，随着产流时间推移，径流挟沙能力增强，＞1mm的泥沙增多（黄丽等，1999），而黑土在流失过程中土壤颗粒组成为砂粒含量＞粉粒含量＞黏粒含量（温磊磊等，2015）。总体来说，紫色土坡耕地土壤流失颗粒粒径小于红壤和黑土，这主要是由紫色土的有机质和土壤颗粒决定的。
　　紫色土流失泥沙以＜0.02mm的团聚体和＜0.002mm的黏粒为主，因此要防止紫色土土壤侵蚀，必须从防止细颗粒流失着手（何太蓉等，2004）。植物篱能够减轻土壤受降雨溅蚀和径流冲蚀的程度，具有较强的泥沙沉积作用，即通过根系的生长与固持作用，以及植株对泥沙的拦截，使土壤大颗粒在篱带或植株前沉积，而较大的地表粗糙度可使黏土含量、沉积物分形维数发生改变，能够将土壤中粉粒（0.002～0.05mm）和黏粒（＜0.002mm）含量提高10%～14%（Chen et al.，2018

目录
第1章 研究背景 1
1.1 紫色土与紫色土耕地资源 1
1.1.1 紫色土性质 1
1.1.2 紫色土分类 1
1.1.3 紫色土分布 2
1.1.4 紫色土耕地资源 3
1.2 紫色土坡耕地土壤侵蚀 4
1.2.1 紫色土坡耕地侵蚀强度 4
1.2.2 紫色土坡耕地产流产沙 5
1.2.3 紫色土坡耕地养分流失 6
1.3 紫色土坡耕地水土保持 7
1.3.1 坡耕地水土保持生态工程情况 7
1.3.2 坡耕地水土保持措施与减蚀效应 9
1.3.3 坡耕地水土保持措施适宜性 12
1.4 本章小结 13
参考文献 13
第2章 紫色土坡耕地埂坎 17
2.1 埂坎相关概念 17
2.1.1 埂坎 17
2.1.2 植物埂 17
2.1.3 埂坎系数 17
2.2 埂坎类型 18
2.2.1 埂坎类型划分 18
2.2.2 常见的埂坎结构 20
2.3 埂坎功能 21
2.3.1 区分地块权属和通行 21
2.3.2 理水减蚀 21
2.3.3 保持土壤养分 21
2.3.4 土地增产 22
2.4 埂坎利用 22
2.5 埂坎土壤理化性质 22
2.5.1 埂坎土壤物理性质 22
2.5.2 埂坎土壤化学性质 24
2.6 本章小结 28
参考文献 29
第3章 埂坎水分阻隔通道效应 31
3.1 试验方案 31
3.1.1 双环入渗试验 31
3.1.2 染色示踪试验 31
3.1.3 图像处理 32
3.1.4 特征参数解析 33
3.2 埂坎入渗 34
3.2.1 分层入渗特征 34
3.2.2 分层入渗模型模拟 36
3.2.3 入渗指标与土壤理化性质的相关性 38
3.3 埂坎水分入渗各向异性 39
3.3.1 水分入渗各向异性形态 39
3.3.2 水分入渗各向异性参数 40
3.4 埂坎水分阻隔效应 41
3.4.1 埂坎阻隔形态特征 41
3.4.2 坎坡染色面积比 41
3.4.3 坎坡染色路径宽度与数量 42
3.4.4 坎坡水分运移类型 44
3.5 埂坎水分通道效应 45
3.5.1 埂坎内部水分运移 45
3.5.2 埂坎-基岩界面水分运移 46
3.5.3 埂坎水分运移平衡 47
3.6 埂坎入渗HYDRUS模拟 48
3.6.1 埂坎模型构建及参数设置 48
3.6.2 埂坎水头高度及水分入渗过程 49
3.7 本章小结 52
参考文献 52
第4章 埂坎裂隙演化的渗流效应 54
4.1 试验方案 54
4.1.1 埂坎裂隙发育程度调查 54
4.1.2 裂隙发育对渗流的影响试验 54
4.1.3 裂隙闭合对渗流的影响模拟 55
4.1.4 优先流试验 55
4.2 埂坎开裂对渗流的影响 57
4.2.1 埂坎裂隙发育程度分级 57
4.2.2 不同裂隙发育程度埂坎入渗特征 57
4.2.3 不同裂隙发育程度埂坎入渗过程模拟 59
4.3 埂坎裂隙闭合对渗流的影响 61
4.3.1 干湿交替下埂坎裂隙发育及闭合特征 61
4.3.2 干湿交替下裂隙发育埂坎的入渗特征 62
4.3.3 埂坎裂隙闭合对入渗的影响 64
4.4 埂坎优先路径特征研究 67
4.4.1 埂坎优先路径组成与分布 67
4.4.2 埂坎剖面优先流分布特征 70
4.4.3 埂坎剖面优先路径特征 73
4.4.4 不同优先路径与埂坎优先流 76
4.5 本章小结 77
参考文献 77
第5章 埂坎植物根-土界面摩阻特性 79
5.1 试验方案 79
5.1.1 根系表面粗糙度试验 79
5.1.2 直剪摩阻试验 79
5.1.3 拉拔摩阻试验 79
5.2 草本植物根系表面粗糙度 80
5.2.1 马唐根系表面粗糙度 80
5.2.2 稗草根系表面粗糙度 81
5.2.3 牛筋草根系表面粗糙度 82
5.2.4 三种草本植物根系表面粗糙度比较 83
5.3 根-土界面摩阻及其与根系和土壤性质的关系 83
5.3.1 三种草本植物根-土界面摩阻特征 83
5.3.2 直剪摩阻特性与根系和土壤性质的相关性 88
5.4 根-土界面抗拉拔及与根系和土壤性质的关系 93
5.4.1 三种草本植物根-土界面抗拉拔特征 93
5.4.2 抗拉拔特性与根系和土壤性质的相关性 97
5.5 本章小结 103
参考文献 104
第6章 埂坎土压力分布特征 105
6.1 试验方案 105
6.1.1 野外观测试验 105
6.1.2 土槽模拟试验 107
6.1.3 研究方法 108
6.2 坎后土压力分布特征与突变分析 108
6.2.1 不同高度坎后土压力分布特征 108
6.2.2 坎后土压力的突变分析 110
6.3 土壤水分和土层深度对坎后土压力分布的影响 112
6.3.1 土壤水分对坎后土压力分布的影响 112
6.3.2 土层深度对坎后土压力分布的影响 114
6.3.3 土壤含水率和土层深度与土压力响应分析 114
6.4 本章小结 116
参考文献 116
第7章 埂坎土壤抗剪特征 117
7.1 试验方案 117
7.2 埂坎土壤抗剪特征 117
7.2.1 土壤抗剪强度与含水率 117
7.2.2 土壤抗剪强度与干密度 119
7.2.3 含水率和干密度交互作用与土壤抗剪强度 121
7.3 埂坎根-土复合体抗剪特征 124
7.3.1 剪应力与轴向荷载和剪切位移 124
7.3.2 极限抗剪强度特征 125
7.3.3 残余抗剪强度特征 126
7.4 埂坎土壤加筋增强抗剪特征 127
7.4.1 加筋对埂坎土壤黏聚力和内摩擦角的影响 127
7.4.2 加筋对埂坎土壤极限主应力差的影响 129
7.4.3 不同加筋材料效果比较 130
7.5 本章小结 133
参考文献 133
第8章 埂坎应力应变分布与稳定性 135
8.1 试验方案 135
8.1.1 土壤力学性质测试 135
8.1.2 模型建立与数值模拟 135
8.2 埂坎应力应变分布 136
8.2.1 埂坎应力分布 136
8.2.2 埂坎应变分布 139
8.2.3 埂坎位移分布 141
8.3 埂坎稳定性与影响因素 143
8.3.1 埂坎规格与稳定性 143
8.3.2 埂坎潜在滑动面分析 146
8.4 本章小结 150
参考文献 151