红壤坡耕地耕层土壤抗剪强度及影响因素响应特征

摘要

土壤抗剪强度与土壤侵蚀关系非常密切，是表征土壤抗侵蚀性能，土体破坏、埂坎稳定性重要力学指标，同时也是土壤耕性的重要参数。本文以江西进贤、云南马龙、广西来宾红壤坡耕地为研究对象，研究了耕层土壤理化性质和抗剪强度变化特征，通过Pearson相关分析法和主成分分析探讨影响抗剪强度的因素，采用室内模拟实验对比研究三种红壤坡耕地耕层土壤抗剪强度对土壤含水率、干湿循环次数、幅度、土壤容重、粒径级配的响应特征，以期为红壤坡耕地耕层土壤水土流失防治、耕层土壤质量改善和梯田埂坎稳定性提供理论借鉴。主要结论如下：
　　（1）不同类型红壤坡耕地不同土层土壤理化性质差异明显。江西进贤红壤、广西来宾红壤、云南马龙红壤坡耕地不同土层土壤容重和孔隙度差异明显，土壤容重表现为：耕作层（0—20 cm）<心土层（20—40 cm）<底土层（40—60 cm），毛管孔隙度和总孔隙度表现为耕作层>心土层>底土层（P＜0.05）。耕作层土壤初始入渗率、稳定入渗率显著高于心土层、底土层。不同土层土壤颗粒以粉粒、砂粒为主，土壤质地为壤土，土壤机械稳定性团聚体以>5 mm、5-2 mm粒级团聚体为主，土壤水稳定性团聚体以0.5-0.25mm和<0.25mm粒级团聚体为主，土壤微团聚体以0.25~0.05 mm、0.05~0.01 mm粒级为主。不同土层土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量差异显著，随土层深度增加而含量降低，表现为耕作层>心土层>底土层。综合野外调查和试验分析，红壤坡耕地合理耕层主要特征表现为：土壤容重介于1.11~1.25g/cm-3，总孔隙度>56％，土壤稳定入渗率5.88~10.18mm/min，土壤质地为壤土，有机质含量>13.67g/kg。
　　（2）不同类型红壤坡耕地土壤抗剪强度差异明显，随土层深度增加而增大，呈现阶段性特征，>30-40 cm土层时抗剪强度迅速减小。江西进贤红壤、云南马龙红壤Ⅰ阶段：0-40 cm耕层，抗剪强度随深度呈线性递增，Ⅱ阶段：40-60 cm土层，抗剪强度随土层深度增加趋于出一定的稳定性。广西来宾红第Ⅰ阶段：0-30 cm土层，抗剪强度随深度呈线性递增，Ⅱ阶段：30-60 cm土层，抗剪强度增加幅度急剧减小，趋于稳定。综合野外调查结果，红壤坡耕地合理耕层抗剪强度变化范围为3.58~5.99 kPa
　　根据Pearson相关和主成分分析表明，土壤容重、含水率、物理性粘粒、分散系数、湿筛MWD是与红壤坡耕地土壤抗剪强度密切相关的物理性因素，土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、碱解氮是与红壤坡耕地土壤抗剪强度密切相关的化学性因素。
　　（3）不同类型红壤坡耕地土壤抗剪强度随含水率呈非线性衰减，不同垂直荷载下抗剪强度随含水率衰减路径差异明显。江西进贤红壤100 kPa、200 kPa下，随含水量增加抗剪强度微幅度波动衰减，300 kPa、400 kPa下，含水率为11%~19%时，趋于稳定，含水率为19%~23%时，抗剪强度剧烈衰减，含水率为23%~27%时，抗剪强度趋于稳定。广西来宾红壤200、300、400kPa下，呈非线性阶段衰减，含水率为11%~17%时，呈非线性平滑衰减，含水率为17%~27%时，呈非线性波动衰减。云南马龙红壤抗剪强度随含水率呈非线性波动衰减，含水率>25%时，衰减趋势减弱并趋于稳定。
　　不同类型红壤坡耕地耕层土壤粘聚力随含水率先增大而后减小，内摩擦角随含水率增大呈非线性波动衰减。含水率为11%~21%时，江西进贤红壤粘聚力介于1.02~16.54 kPa，含水率>21%时，粘聚力随含水率增加而减小。含水率11%~23%时，广西来宾红壤、云南马龙红壤粘聚力迅速增大，含水率>23%时，随含水率增加逐渐衰减。江西进贤红壤、广西来宾红壤、云南马龙红壤含水率低于19%、17%、15%时，内摩擦角线性衰减，含水率超过转折点时，摩擦角波动衰减，且趋于稳定。
　　（4）江西进贤红壤与云南马龙红壤坡耕地耕层土壤抗剪强度、粘聚力随循环次数增加呈非线性衰减，内摩擦角呈波动式衰减。对江西进贤红壤与云南马龙红壤抗剪强度而言，Ⅰ阶段1~3、4次循环，抗剪强度衰减率呈近似线性迅速增加，抗剪强度衰减快，Ⅱ阶段3、4~5次循环，抗剪强度逐渐趋于稳定值。对粘聚力而言，Ⅰ阶段0~3、4次循环，呈现近似线性地迅速衰减；Ⅱ阶段为3、4~5次循环，粘聚力趋于稳定。内摩擦角随干湿循环次数增加波动式衰减，但衰减幅度明显低于粘聚力。
　　循环次数、幅度交互效应下，江西进贤红壤粘聚力随循环次数的增大先迅速减小，波动范围为2.65~9.75 Kpa，循环次数>3次后，粘聚力趋于稳定，而循环幅度对粘聚力衰减作用不显著。江西进贤红壤内摩擦角随干湿循环幅度增大而增大。云南马龙红壤粘聚力随循环次数增加而减小，随循环幅度变化先微幅增大后减小，峰值出现在Δw=15%附近，内摩擦角随循环次数增加而波动式减小，随干湿循环幅度变化衰减路径起伏波动大，衰减受干湿循环幅度影响小。
　　（5）江西进贤红壤、广西来宾红壤、云南马龙红壤坡耕地耕层土壤粘聚力随着容重增加呈逐渐增大趋势。粒径级配对红壤坡耕地耕层土壤粘聚力无显著影响，内摩擦角随＜0.05mm细粒径颗粒的增加而增大，内摩擦分布范围为7.57°~8.67°、7.38°~8.67°、8.97°~9.33°。容重较小时（0.9~1.1g/cm3），粘聚力随容重平稳增加，容重较大时（1.1~1.3g/cm3），粘聚力随容重陡增。云南马龙红壤粘聚力随容重呈现波动式增加，粘聚力分布1.85~3.33 kPa，内摩擦角随着容重增加呈现出逐渐增大趋势。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1土壤抗剪强度概念、理论、测定方法

1 .2坡耕地耕层土壤抗剪强度影响因素

1.3 存在问题及发展趋势

1.4 选题意义

第2章 研究内容与研究方法

2.1 研究目的及主要内容

2.2研究区概况

2.3 研究方法

第3章 红壤坡耕地耕层土壤理化性质变化特征

3.1 红壤坡耕地耕层土壤物理性质特征

3 .2 红壤坡耕地耕层土壤养分含量特征

3.3小结

第4章 红壤坡耕地抗剪强度垂直变化及影响因素分析

4.1红壤坡耕地耕层土壤抗剪强度垂直变化特征

4.2基于Pearson相关法的抗剪强度影响因素分析

4.3基于主成分分析的抗剪强度影响因素分析

4.4小结

第5章 红壤坡耕地耕层土壤抗剪强度对含水率响应特征

5.1耕层土壤抗剪强度对含水率响应特征

5.2耕层土壤粘聚力对含水率响应特征

5.3耕层土壤内摩擦对含水率响应特征

5.4小结

第6章 红壤坡耕地耕层抗剪强度对干湿循环作用响应特征

6.1耕层土壤抗剪强度对干湿循环次数响应特征

6.2耕层土壤粘聚力、内摩擦角对等幅度干湿循环次数响应特征

6.3耕层土壤粘聚力、内摩擦角对干湿循环作用响应特征

6.4讨论

6.5 小结

第7章 红壤坡耕地耕层抗剪强度对容重和粒径级配响应特征

7.1 耕层土壤粘聚力对容重响应特征

7.2耕层土壤内摩擦角对容重响应特征

7.3 耕层土壤粘聚力对粒径级配响应特征

7.4耕层土壤内摩擦角对粒径级配响应特征

7.5 小结

第8章 结论与建议

8.1 结论

8.2 建议

参考文献

致谢

参加课题、论文发表及获奖情况