沟头高度和土壤质地对细沟溯源侵蚀特征和形态发育的影响

王 睿，李 鹏，韩建纯，朱玉斌，苏远逸

沟头高度和土壤质地对细沟溯源侵蚀特征和形态发育的影响

王 睿，李 鹏※，韩建纯，朱玉斌，苏远逸

（1. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048；2. 旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，西安 710048）

沟头溯源侵蚀是黄土高原主要的侵蚀方式之一。为研究细沟沟头高度和土壤质地对侵蚀产沙、沟头溯源侵蚀过程及沟道形态发育的影响，该研究采用不同沟头高度的沟头，在室内进行了一系列冲刷试验（流量为2、4和6 L/min）。结果表明：1）随着沟头高度的增加，产沙率增加，土壤流失过程的波动程度也增加，且越易被侵蚀；2）对比不同土壤质地，总体上，壤质砂土的产沙率和溯源侵蚀速率大于粉砂质壤土。当沟头高度为15 cm、流量为6 L/min时，壤质砂土的沟头溯源侵蚀速率最大，为19.45 cm/min；3）粉砂质壤土土壤下切深度较深，更易发生下切侵蚀，壤质砂土土壤沟道横截面宽深比最大值是粉砂质壤土土壤的3倍多，且沟头溯源侵蚀累积距离为75 cm时沟道横截面宽深比值较小，更易发生侧向侵蚀；4）4个细沟形态地形子参数（起伏度、粗糙度、切割深度和坡度）与产沙量有较好的线性线相关关系（2≥0.48），沟头侵蚀下的微地形可以在一定程度上反映产沙量的大小，进而估算产沙量。研究结果可为黄土高原细沟侵蚀下的水土保持措施提供参考依据。

土壤；侵蚀；产沙；沟头；溯源侵蚀；地形参数

0 引 言

坡面上的细沟是山区地表常见的微地貌，相对坡面流而言，细沟流水深大、流速快，剥蚀输运能力强，是坡面侵蚀的主要组成部分[1]。已有研究表明，细沟侵蚀量可占到坡面总侵蚀量的90%以上[2]。其中，沟头溯源侵蚀是细沟泥沙产量增加的主要原因[3]，其产沙量可占到细沟总侵蚀量的50%以上[4]。

黄土区沟谷系统侵蚀的类型有水力冲刷、重力侵蚀、潜蚀和混合侵蚀四类[5-6]，其中细沟侵蚀下的溯源侵蚀过程以水力侵蚀为主。大量学者通过一系列野外模拟降雨和径流冲刷试验，来评价黄土高原区集中水流的水力特性和沟头侵蚀过程。覃超等[7]指出裸地的沟头溯源侵蚀过程主要受上游水流切割、沟头侵蚀和跌水侵蚀的驱动。前人通过在室内建造小尺度的沟头模型[8-9]，对影响沟头侵蚀过程的众多因素（上方汇流量和含沙浓度、跌坎高度、坡度、土壤粒级组成等）进行了研究。Wells等[9]根据坡度和流量建立了经验公式，来量化侵蚀过程。Guo等[10]指出细沟长度随时间变化呈线性正相关，产沙率受沟头溯源侵蚀速率、沟头跌坎高度和沟头下方沟槽内发育的二级沟头数影响，其值可由多元非线性回归方程表示。Hossein等[11]选取了8种不同土壤粒级，结果表明黏土含量的减少使总的切向迁移和沉积量增加了2.5倍。而少有研究对不同沟头高度下的沟头溯源侵蚀过程进行评价。此外，廖凯涛等[12]应用无人机摄影测量技术对野外裸露小区坡面细沟形态参数进行分析，结果显示，细沟宽深比大致随坡长的增加而减小，并在接近坡底处达到最小值。韩剑桥等[13]采用室内模拟试验研究了细沟断面形态，认为宽深比沿坡长方向呈先减小后增大的非线性规律。车晓翠等[14]对比分析不同坡度条件下黑土坡面细沟剖面形态特征，发现细沟剖面变化特征自坡面上部到下部依次表现为“宽浅型”、“窄深型”、“宽浅型”。此外，微地形已被确定为影响土壤侵蚀演变的关键因素[15]。它改变了径流的侵蚀力，影响了侵蚀演变和泥沙量[16]。有研究指出土壤表面粗糙度是影响水文和侵蚀过程的最重要因素之一[17]。唐辉等[8]通过建立黄土坡面与微地形因子的关系，表明地形因子与产流率、累积产沙量呈极显著正相关关系。Luo等[18]对不同耕作方式下的坡面进行降雨模拟，指出表面粗糙度与产沙率呈较好的二次多项式的关系。李思进等[19]建立了不同分辨率的DEM数据集，通过不同地形因子对侵蚀沟特征进行表达。目前，对细沟沟头溯源侵蚀产沙量与微地貌地形参数的关系尚未明确。

基于此，本研究采用不同冲刷流量，研究沟头高度和土壤质地对侵蚀产沙、沟头溯源侵蚀过程及沟道形态特征变化的影响，通过三维激光扫描技术获取高精度的微地形，描述沟头溯源侵蚀下的地形特征，并建立了沟头溯源侵蚀下的产沙量与地形因子的响应关系。以期为黄土高原细沟侵蚀下的水土保持措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

供试土壤分别来自于黄土塬区的陕西省绥德县王茂沟流域及内蒙古自治区达拉特旗西柳沟流域，土质经激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，英国马尔文公司）测定（表1）。王茂沟流域土壤土质中粉粒含量占比最多，土壤质地为粉砂质壤土；西柳沟流域土壤土质中砂粒含量占比最多，土壤质地为壤质砂土。供试土槽共2个，长×宽×高200 cm×20 cm×50 cm。沟头侵蚀冲刷的物理模型示意图如图 1所示，该模型分为沟头上游坡面、沟头立壁和沟头下游坡面，其中沟头上游坡面长1.5 m，沟头下游坡面长0.5 m。此外，在土槽上方设置缓流槽（长×宽×高2.0 m×0.2 m×0.1 m）和稳流槽以确保流入坡面的水流均一、稳定。同时，在稳流槽上方还架有恒定水头的供水装置，通过调节水阀开度控制流量大小。为了更好地精确沟头溯源侵蚀的距离，在土槽正上方1.5 m处架有1台能手动对焦的数码照相机（EOS700D，日本Canon）。并在木槽边缘每隔5 cm进行标记。沟头溯源侵蚀距离每后退1个刻度（5 cm）记录下时刻，最终可获取沟头溯源侵蚀速率。基于手持三维激光扫描仪（Go!SCAN 3D，德国Creaform）获取试验土壤表面的高精度DEM。

1.2 试验设计与方法

姜芸等[20]指出细沟和浅沟主要分布在2°～6°和>6°～15°的坡面上。野外调查表明，黄土塬区塬面坡度基本为1°～5°，且多集中在3°左右[5]。为更好地模拟细沟沟头溯源侵蚀过程，将本次小区试验坡度设计为3°，沟头上游坡面和沟头下游坡面的坡度保持一致。根据野外实测资料显示，坡面耕层深度约为15～20 cm，故设计装填土厚度为20 cm。其次，黄土高原常见的短历时、高强度侵蚀性降雨标准为10.5～234.8 mm/h，将设计汇水流量设计为2、4及6 L/min，相当于在15 m汇水坡长、0.2 m坡宽、径流系数为0.8的条件下分别发生50、100及150 L/h降雨强度的侵蚀性暴雨[7,21]。已有研究通过建造高5 cm的雏形沟头，模拟了黄土坡面连续细沟形成前沟头的溯源侵蚀过程[22-23]。因此，该试验在已有研究基础上，距坡顶部150 cm处分别建造了高5、10及15 cm的雏形沟头。沟头侵蚀物理模型示意图见图1，试验现场图见图2。

为了确保填充土壤的一致性和均匀性，填土前先将土壤过10 mm筛以剔除杂物。然后采用每隔 5 cm 分层填装的方法进行填土，共填充4层。填土前，在土槽底部铺1层厚5 cm的细砂以便土壤水分均匀下渗，使其达到天然坡面的水分入渗情况。填充上层土时，先将下层土表面抓毛，以确保土层间的充分结合。土壤容重和含水率根据采样区环刀采样得出，其中粉砂质壤土的土壤装土容重通过换刀采样确定，控制在1.3 g/cm3左右，土壤前期含水率通过烘干法确定，控制在14%左右。同理，壤质砂土的土壤装土容重控制在1.5 g/cm3左右，土壤前期含水率12%左右。其中，装填沟头上方时，需在距坡顶150 cm处放置1个与沟头高度一致的模型并固定其位置。

表1 供试土壤粒度特征

注：50为土壤颗粒的中值粒径。

Note:50is the median size of soil particles.

试验开始前在土槽上方1.5 m架设1台数码相机，调节相机的方向并使其拍摄角度与坡面保持平行。然后率定上方汇流量，当率定流量与设计目标流量的相对误差小于2%时，即可开始正式试验。

试验开始后即连续接取径流泥沙样，每个径流泥沙样的接样时间为1 min，采用烘干法将泥沙样烘干，得到侵蚀过程中每分钟的产沙量为产沙率。每隔1 min使用高锰酸钾溶液作为示踪剂，以0.5 m间距测量各段面的流速。同样每隔1 min用钢尺测量沟头的宽度、深度及间隔0.5 m测量各段面的径流宽度。

当沟头溯源侵蚀距离到达坡顶后停止试验（图2b），试验停止后将水和沙子混合液体到入装有滤纸的漏斗中。静至滤纸内大部分水流滤出，将滤纸放入烘箱内，在干燥箱内（60 ℃）干燥至恒质量。利用三维激光扫描仪测取冲刷前、后地形形态。

1.3 数据处理与分析

三维激光扫描仪用于监测不同处理下的地块地形。每次试验后，地形点数据都被传输到ArcGIS 10.4中，得到分辨率为0.8 cm的DEM影像。图3为放水冲刷前、后沟头高度为5 cm时的DEM影像，为了便于对比不同处理下的地形，以坡面顶部为0标高基准面。

首先，使用Arctoolbox的“Focal Statistic”工具生成沟头地形统计参数（平均值mean，最小值min及范围 range）。使用Arctoolbox的“Slope”工具生成坡度图层，得到地形参数坡度（SLOPE/(˚)）。最后使用ArcToolbox的栅格数学工具，计算得到沟头地形参数，包括起伏度（RAN /cm）、粗糙度（ROUG）、切割深度（SI /cm），具体计算公式如下：

RAN =DEMmax－DEMmin（2）

SI=DEMmean－DEMmin（4）

式中f为水平方向高程分辨率，cm；f为竖直方向高程分辨率，cm；DEMmean、DEMmax和DEMmin分别为DEM的平均值、最大值和最小值，cm。

2 结果与分析

2.1 沟头侵蚀特征

2.1.1 沟头溯源侵蚀产沙特征

图4为两种供试土壤溯源侵蚀下产沙率的时间变化，表2为其沟头产沙特征。可以看到，在不同沟头高度和流量下的产流初始阶段和冲刷试验完成阶段，产沙率变幅较大。原因在于初始产流阶段沟头发育尚未开始，一部分水流渗透到土壤空隙中，另一部分水流沿表层流动并推动表层土壤迁移，此阶段产沙率较低。当溯源侵蚀距离达到坡顶后，沟头发育完成，此时大部分水流沿细沟流动并开始扩张细沟深度和宽度，此阶段产沙率出现下降。因此，在试验开始的前5 min，产沙率处于整个阶段的较低水平。而试验停止前1～3 min内，产沙率急剧降低。在整个试验中产沙率出现了多个峰和谷（图4），随着流量的增加产沙率增大。且随着沟头高度的增加产沙率也在增大（图 4），同时变异系数也逐渐增大（表2）。表明沟头高度越高，土壤流失过程波动越大且越易被侵蚀。此外，壤质砂土的产沙率总体上要大于粉砂质壤土，且壤质砂土的变异系数也较大，表明其土壤流失过程波动较大且更易侵蚀。

注：H5、H10及H15分别代表沟头高度为5、10及15cm，下同。

Note: H5, H10, and H15represent the heights of gully head are 5, 10, and 15 cm,respectively, the same as below.

图4不同处理下的沟头产沙率变化

Fig.4 Variation of sediment yield rate of gully head under different treatments

表2 不同处理下的沟头产沙率特征

注：Q2、Q4及Q6分别代表初始径流流量为2、4及6 L·min-1，下同。

Note: Q2, Q4, and Q6represent the flow rates ofinitial runoff are 2, 4, and 6 L·min-1,respectively, the same as below.

2.1.2 沟头溯源侵蚀累积距离变化

图5显示了沟头溯源侵蚀累积距离随时间的变化。沟头溯源侵蚀累积距离随时间逐渐增加，且随着沟头流量的增加，溯源侵蚀速率均逐渐增大（表3）。根据回归分析（表 3）表明，沟头溯源侵蚀累积距离随时间呈线性变化（<0.01）。其中当土壤质地为粉砂质壤土时，流量不同，对溯源侵蚀速率的影响也有所差异。当流量为2 L/min时，随着沟头高度的增加，溯源侵蚀速率逐渐减小，沟头高度为5、10及15 cm时，溯源侵蚀速率分别为4.97、4.63及4.55 cm/min；当流量为4 L/min时，随着沟头高度的增加溯源侵蚀速率分别为8.71、7.45及5.96 cm/min；当流量为6 L/min时，随着沟头高度的增加溯源侵蚀速率分别为9.95、8.42及6.77 cm/min。总体上，流量越大，对不同沟头高度下溯源侵蚀速率的影响越大。此外，当土壤质地为壤质砂土、沟头高度为15 cm时，不同流量下的沟头溯源侵蚀速率均较大。其中H15Q6处理下沟头溯源侵蚀速率达到19.45 cm/min，远大于其他沟头高度下的沟头溯源侵蚀速率，表明此时表层土壤大幅度流失，说明此时可能超过了土壤侵蚀的安全阈值。严重时会引发滑坡、泥石流，造成土壤生产力降低。再对比不同土壤质地下的溯源侵蚀速率，发现除H10Q4处理外，壤质砂土的溯源侵蚀速率均大于粉砂质壤土，且沟头高度越高、流量越大，两种供试土壤的溯源侵蚀速率差值也就越大。

2.2 溯源侵蚀沟道形态发育特征

2.2.1 沟道底部高程变化

细沟溯源侵蚀造成沟头上游集水区形成不同深度、宽度的沟道，土壤被水流冲刷到沟头下游床面，沟头下游床面土壤的沉积或剥蚀，所有处理下沟头均得到了明显的发育（图6）。可以看到，当沟头高度为5、10 cm时，下游坡面高程低于初始坡面高程。表明上游土壤流失时对下游坡面进行了剥蚀，水流挟带下游泥沙量增加了土壤总的侵蚀量；当沟头高度为15 cm时，下游坡面高程高于初始坡面高程，表明上游土壤流失会造成下游坡面产生沉积，拦截沟头上游部分泥沙，从而降低了土壤总侵蚀量。说明上游沟头高度对沟头床面的剥蚀或沉积有一定影响，沟头高度越高，下游坡面更易产生沉淀。对比壤质砂土，当粉砂质壤土在距离坡顶长度相同位置时，沟底深度较深。表明粉砂质壤土在水流冲刷下更易发生下切侵蚀。

图5 不同处理下的沟头溯源侵蚀距离变化

表3 不同处理下沟头累积溯源距离与时间的关系

注：表示沟头溯源侵蚀距离，cm；表示产流时间，min；表示样本数量；**代表在0.01水平上极显著相关，下同。

Note:represents the headcut retreat distance, cm;represents the time of runoff duration, min;represents the number of samples ;**represents extremely significant correlation at the level of 0.01, the same as below.

2.2.2 沟道横断面宽深比变化

沟头溯源侵蚀造成沟头上游坡面形成不同宽度和深度的细沟，图7为不同沟头溯源侵蚀距离下的沟道横断面宽深比值变化。可以看到随着溯源侵蚀距离的增加，粉砂质壤土的沟道横断面宽深比值均呈现先减小后增大的趋势，且沟道横断面宽深比最小值出现出现在溯源侵蚀距离为75 cm时，其中H15Q2处理下的宽深比值最小，为0.35。壤质砂土土壤的沟道横断面宽深比值整体上呈逐渐增大的趋势，但沟道横断面宽深比在75 cm时也出现了小幅下降，其中H15Q2处理下的宽深比值最小，为0.40。沟道横断面宽深比下降，表明汇流水面宽度变窄、侵蚀能量增家致使沟头下切深度加深。同时，不同沟头高度为下的沟道横断面宽深比值有所差异，沟头高度为15 cm时的沟道横断面宽深比值均最小，比值小于1.0；沟头高度为5 cm时的沟道横断面宽深比值最大。表明沟头高度越大，越易发生侧向侵蚀。此外，不同土壤类型下的沟道横断面宽深比值也有所差异，壤质砂土土壤的宽深比最大值达到5.0，而粉砂质壤土土壤的宽深比最大值仅接近1.6。二者宽深比最大值相差3倍多，而沟道深度相差较小。表明当土壤类型为壤质砂土时更易发生侧向侵蚀。

2.3 坡面微地形与沟头溯源侵蚀产沙的关系

表4为不同土壤类型下的细沟侵蚀产沙量与细沟地形参数之间的关系。相关分析表明4个地形参数与产沙量之间存在显著的相关性（<0.01）。同时发现当产沙率低于1 500 g/min、总产沙量低于20 kg时，细沟地形参数与细沟侵蚀产沙量之间均存在较好的线性关系。其中土壤类型为粉砂质壤土时，粗糙度与细沟侵蚀产沙量的相关性最高为0.73，侵蚀产沙量与坡度的相关性最低为0.63。对比粉砂质壤土，壤质砂土的坡度与细沟侵蚀产沙量的相关性最高为0.63，切割深度与细沟侵蚀产沙量的相关性最低为0.48。表明粉砂质壤土比壤质砂土的细沟地形参数与细沟侵蚀产沙量之间的关系较好，细沟地形参数在一定程度上可以较准确地反映地形形态特征。

表4 产沙量与细沟地形参数的回归分析

注：表示产沙量；表示细沟地形参数。

Note:represents the sediment yield;represents the rill topographic factor.

3 讨 论

3.1 沟头侵蚀产沙过程

裸地下沟头侵蚀过程分为4个过程：沟口侵蚀、沟壁侵蚀、跌水侵蚀和沟口崩塌[24]，该过程与试验中的侵蚀过程相一致（图8）。开始产流以后，水流对沟头顶部坡面、和沟头立壁进行冲刷，逐渐形成沟口。此时为沟口侵蚀阶段（图8a），由于尚未形成细沟，产沙量在初始阶段相对较低（图4）。而后，水流继续沿着沟头立壁流动。沟头立壁被水流冲刷向内挖空（图 8b）。随着时间的推移，水流不仅沿着立壁流动，当水流能量较大时还会产生射流，造成沟头下游产生水垫塘[25]，即跌水侵蚀（图8c）。此外，冲刷水流和水垫塘漩涡不断冲刷沟岸底部[26]，导致沟口崩塌（图8d）。长时间水流冲刷造成槽内土壤含水率增大，入渗量随即减少，径流强度增大[27]。沟头上游坡面在水流作用下还会发生局部片蚀，当沟头溯源侵蚀到达发生片蚀位置时（图 8c），会加快下切侵蚀过程，导致溯源侵蚀距速率突然增加（图5）。不同土壤类型的侵蚀产沙特征及沟头溯源侵蚀速率有所差异，认为造成二者差异的原因可能与土壤类型和容重有关。Mike[15]认为土壤中大粒径含量的增加使土壤更易侵蚀，导致沟头溯源侵蚀速率及沉积物的增加。冯梦蝶等[28]指出土壤容重会显著影响土壤分离能力，而土壤分离能力对土壤侵蚀有一定影响。因此，有待于进一步研究土壤类型和容重对土壤侵蚀的影响。

3.2 沟道形态特征

马小玲等[29]通过对细沟流侵蚀断面形态的研究，指出横断面方向上，宽深比随坡度的增大而减小，表明下切和溯源侵蚀是细沟发育过程中主要的侵蚀方式。徐国宾[30]指出当渠道下垫面相对稳定（边坡系数为1）时，最优水力断面对应的宽深比为0.828；当稳定性无法平衡时，冲刷将继续进行。根据沟道横断面宽深比值，将本试验5个断面宽深比的平均值与最优水力断面对应的宽深比值对比。结果显示，粉砂质壤土的H10Q4处理、壤质砂土的H15Q4处理的沟道横断面宽深比与最优水力断面对应的宽深比相差在10%之内，表明其细沟水流系统接近稳定状态。同时结果还显示，对比粉砂质壤土，壤质砂土与最优水力断面宽深比值相差较大，表明壤质砂土的细沟水流体统不易达到稳定状态。这也就解释了细沟侵蚀过程中壤质砂土比粉砂质壤土的产沙率波动大且总土壤流失量大的原因。赵春红等[31]认为同一侵蚀沟条件下，土壤类型对道横断面宽深比值也有影响，土壤类型越细，横断面宽深比值越小。这与试验结果一致，对比壤质砂土，粉砂质壤土质地较细、容重较小，更易发生下切侵蚀。此外，同一沟头高度下，随着流量的增加，沟道横断面宽深比平均值也在逐渐增大。胡晓松[32]也表明随着雨洪强度的增加，细沟试验断面下的宽深比呈现先递减后递增再逐步趋于稳定的规律。

3.3 沟道地形参数

张建文等[33]等指出黄土坡面和覆沙坡面的侵蚀响应最强烈的微地形因子分别为地表切割深度和地表粗糙度。李清溪等[34]等认为微地形因子变化量与侵蚀产沙量呈明显正相关。本研究中指出沟头侵蚀下产沙量与地形因子（起伏度、切割深度、粗糙度及坡度）之间存在较好的线性关系，且这些地形因子之间相关性较强，这与唐辉等[35]的观点一致，也表明地形因子之间有很强的相关性，能从不同侧面反映地形的信息。坡度是与径流形成最相关的因素之一，而径流大小是影响土壤流失的主要因素之一[36]。同时，我们认为起伏度和切割度与沟头溯源侵蚀过程中的下切侵蚀有关。持续侵蚀在沟头底部产生了底切[37]，即冲刷水流能量越大则下切深度越深。基于在一定阈值内反映细沟形态的地形参数与细沟侵蚀产沙量之间存在较好的线性关系，我们认为沟头侵蚀下的地形参数可以在一定程度上反映侵蚀强度的大小。

4 结 论

在室内采用3种流量（2、4和6 L/min）进行放水冲刷试验，研究了不同土壤类型下沟头高度（5、10和15 cm）对侵蚀产沙、沟头溯源侵蚀过程和沟道形态发育的影响，主要结论如下：

1）各处理产流初始阶段和冲刷试验完成阶段，产沙率变幅较大。总体上壤质砂土的产沙率和溯源侵蚀速率大于粉砂质壤土，并且其土壤流失过程波动较大，且更易侵蚀。当沟头高度为15 cm、流量为6 L/min时，壤质砂土的沟头溯源侵蚀速率最大，为19.45 cm/min。

2）对比壤质砂土，粉砂质壤土类型下沟头下切侵蚀深度较深，且壤质砂土的沟道横断面宽深比最大值是粉砂质壤土的3倍多。表明粉砂质壤土更易发生下切侵蚀，壤质砂土更易发生侧向侵蚀。

3）地形参数（起伏度、切割深度、粗糙度及坡度）与细沟侵蚀产沙量之间存在较好的线性关系。当土壤类型为粉砂质壤土时，粗糙度与细沟侵蚀产沙量的相关性最高（0.73）。沟头侵蚀下的地形参数可以在一定程度上反映侵蚀强度的大小。

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Effects of gully head height and soil texture on headward erosion characteristics and topography evolution

Wang Rui, Li Peng※, Han Jianchun, Zhu Yubin, Su Yuanyi

(1.,,710048,; 2.,710048,)

Gully head erosion has become one of the most serious types of land degradation in the Loess Plateau region of China. Soil erosion from head-cutting has posed severe damage to the natural environment, while soil degradation is ever deteriorating in recent years. This study aims to investigate the effects of gully head height and soil texture on the erosion process and the microgeomorphology during spatial evolution of channel morphology. A three-dimensional laser scanning was used to capture high-precision micro-geomorphology, thereby representing the morphological changes and development process of erosion gullies. A response relationship was established between the sand yield and topographic factors under the headward erosion of the gully head. An indoor test was carried out to explore the effects of different gully head heights (5, 10, and 15 cm) on the erosion sand yield, gully retreat distance, and gully morphological development under silty loam and loamy sand textures using three flow rates (2, 4, and 6 L/min) for water release scour. The results showed that: 1) There was more fluctuation of soil loss in the study areas, while less resistance to the erosion, as the head height increased. The erosion rate of loamy sand was higher than that of silty loam in the various soil textures. Furthermore, the loamy sand loss fluctuated more than the silty loam, while the erosion rate of loamy sand was also significantly larger than that of silty loam. When the height of gully head is 15 cm and the flow rate is 6 L/min, the headward erosion rate of loamy sand is the highest, which is 19.45 cm / min. 2) There was a sharp increase in the rate of gully head headward erosion, where the scouring water accelerated the denudation of surface erosion, particularly when the gully retreat distance reached the location where the surface erosion occurred on the upstream slope of the gully head. 3) The width-to-depth ratio of the channel increased gradually in the cross section under the same gully height, with the increase of water flow. The depth of headcut erosion was great at the head of the gully under silty loam. The maximum width-to-depth ratio of the cross-sectional channel in the loamy sand was more than three times that of silty loam. It indicated that the silty loam was more prone to undercutting erosion, whereas, the loamy sand was more prone to lateral erosion. Meanwhile, the width-to-depth ratio of the cross-sectional channel was the smallest, when the gully retreat distance of the gully head was 75 cm. 4) In addition, there was also a better linear correlation of four microtopographic or topographic factors with the sediment yield, including the fluctuation, roughness, cutting depth, and slope. Consequently, the microtopography under the gully erosion can be expected to represent the size of sand production, further to estimate the quantity of sand yield. The finding can provide a potential promising reference for the soil and water conservation under the erosive action of flushes and gullies on the Loess Plateau of China.

soils;erosion; sediments; gully head; headward erosion; topographic parameters

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.011

S126; S157

A

1002-6819(2021)-10-0091-09

王睿，李鹏，韩建纯，等. 沟头高度和土壤质地对细沟溯源侵蚀特征和形态发育的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：91-99.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.011 http://www.tcsae.org

Wang Rui, Li Peng, Han Jianchun, et al. Effects of gully head height and soil texture on headward erosion characteristics and topography evolution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 91-99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.011 http://www.tcsae.org

2021-02-01

2021-04-15

国家自然科学基金（51779204）；陕西省创新人才推进计划项目（水土资源环境演变与调控）科技创新团队（2018TD-037）

王睿，博士生，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：wr92333@163.com

李鹏，博士，教授，博士生导师，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：lipeng74@163.com