戴金梅，查軒，黃少燕，陳世發(fā)，劉川，王麗園，白永會(huì)

(1.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，350007，福州；2.福建師范大學(xué)地理研究所，350007，福州)

1980—2013年閩西地區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空變化特征

戴金梅，查軒?，黃少燕，陳世發(fā)，劉川，王麗園，白永會(huì)

(1.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，350007，福州；2.福建師范大學(xué)地理研究所，350007，福州)

閩西地區(qū)是福建省土壤侵蝕重點(diǎn)防治區(qū)，為研究閩西地區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空分布格局，根據(jù)1980—2013年閩西地區(qū)9個(gè)站點(diǎn)的逐日降雨數(shù)據(jù)，利用日雨量模型來(lái)計(jì)算降雨侵蝕力，采用線性回歸、氣候傾向率、Mann-Kendall檢驗(yàn)和反距離加權(quán)插值法(IDW)等方法對(duì)區(qū)域降雨侵蝕力的時(shí)空變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1)閩西地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為9 504 MJ·mm/(hm2·h)，與降雨量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；2)空間上西高東低，與降雨量分布規(guī)律基本一致；3)降雨侵蝕力的年內(nèi)分布主要集中在3—8月，占到全年的80.12%；4)1980—2013年期間研究區(qū)降雨量呈微下降趨勢(shì)，而整體上降雨侵蝕力呈略微增加趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，其中其在夏季呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而在春秋冬3季呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；5)34年內(nèi)降雨侵蝕力分別在1995和2002年發(fā)生突變。該研究可為該區(qū)域土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)估和土壤侵蝕治理工作提供依據(jù)。

降雨量； 降雨侵蝕力； 時(shí)空變化； 閩西地區(qū)

降雨引起土壤侵蝕的潛在能力被稱為降雨侵蝕力，是一個(gè)客觀評(píng)價(jià)由降雨所引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)。降雨侵蝕力的研究在國(guó)外起步較早，W.H.Wischmeier等[1]在1958年提出了通用土壤流失方程USLE來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)水土流失，而降雨侵蝕力因子R指標(biāo)是首要的基礎(chǔ)因子；1978年W.H.Wischmeier等[2]首次用公式R=EI30來(lái)計(jì)算降雨侵蝕力；之后人們對(duì)降雨侵蝕力的研究逐漸展開(kāi)，G.R.Foster等[3]以降雨量代替動(dòng)能，也有一部分學(xué)者把EI10或者EI60作為R值指標(biāo)。但是采用這種計(jì)算方法需要有連續(xù)降雨過(guò)程的資料，而這種資料獲取難度大且整理繁雜；因此，許多學(xué)者開(kāi)始研究簡(jiǎn)易算法。1983年C.W.Richardson等[4]利用美國(guó)水文站點(diǎn)的日降雨量數(shù)據(jù)建立了降雨侵蝕力指數(shù)模型的簡(jiǎn)易算法；E.A.Mikhailova等[5]利用年均降雨量和海拔建立起降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法。相對(duì)而言，降雨侵蝕力在國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，王萬(wàn)忠等[6]引入經(jīng)典算法，證明EI30的組合計(jì)算降雨侵蝕力在中國(guó)同樣可行，黃炎和等[7]、楊子生[8]、吳光艷等[9]紛紛以EI形式，提出了中國(guó)各地區(qū)的R指標(biāo)。之后我國(guó)學(xué)者紛紛開(kāi)始尋求一個(gè)數(shù)據(jù)獲取容易、計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果貼近實(shí)際的算法；章文波等[10]、周伏建等[11]利用年降雨量或月降雨量數(shù)據(jù)構(gòu)建簡(jiǎn)易算法，章文波等[12]根據(jù)日降雨量資料建立降雨侵蝕力模型，殷水清等[13]運(yùn)用小時(shí)降雨數(shù)據(jù)資料估算降雨侵蝕力。這些數(shù)據(jù)中只有日降雨量數(shù)據(jù)容易獲取，降雨的特征信息詳細(xì)，用來(lái)估算降雨侵蝕力精度比較高，特別是在降水豐富的地區(qū)模型的決定系數(shù)較大、估算多年平均降雨侵蝕力的相對(duì)誤差較小[12]。

在全球氣候變化背景下，福建省降雨總量、強(qiáng)度增加，小雨強(qiáng)降水減少，這表明其由降雨引起的侵蝕可能進(jìn)一步增強(qiáng)，開(kāi)展降雨侵蝕力的計(jì)算及其分布研究非常有必要；而福建省西部地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，是我國(guó)土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)之一，合理估算其潛在的土壤侵蝕力對(duì)預(yù)防水土流失有重要的作用。已有的研究大多是集中在全國(guó)或者省區(qū)，小區(qū)域的降雨侵蝕力研究較少，沒(méi)有具體分區(qū)闡述降雨侵蝕力的變化特征；因此筆者利用閩西9個(gè)站點(diǎn)的日降雨量資料，運(yùn)用日降雨量模型來(lái)計(jì)算該區(qū)域的降雨侵蝕力，以期為閩西地區(qū)土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)估、水土流失預(yù)報(bào)和土壤侵蝕分區(qū)治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處福建省西部，稱之為閩西，位于E 115°51′～117°45′,N 24°23′～26°02′。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.2～20.7℃，年平均降水量1 450～2 200 mm，70%的降水集中在春夏2季。地勢(shì)東高西低，北高南低，總面積2萬(wàn)3 096 km2，占全省陸地面積的15.7%，其中山地丘陵面積達(dá)到該區(qū)的80%，山體海拔多在500～1 000 m之間。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文使用1980—2013年閩西地區(qū)9個(gè)站點(diǎn)的日雨量數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布均勻(圖1)。

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力模型 本文采用章文波等[12]提出的日降雨量模型，該模型在降水豐富地區(qū)的表現(xiàn)更好，計(jì)算的精度相對(duì)較高。該模型已經(jīng)大量的使用，比如珠江流域[14]、西南山區(qū)[15]、重慶市[16]等。

式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；K為該半月時(shí)段內(nèi)的時(shí)間，d；Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的日降雨量(≥12 mm)；α、β為模型的參數(shù)，根據(jù)區(qū)域的降水量來(lái)確定的，其計(jì)算公式為：

式中：Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均降雨量；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均雨量。利用上述公式計(jì)算出逐年各半月的降雨侵蝕力，累加得到年降雨侵蝕力。

2.2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法 氣候傾向率是氣候要素變化趨勢(shì)，通常用一次線性方程[17]表示，即

=at+bt=1，2，…，n。

將一次回歸系數(shù)a×10稱為氣候傾向率。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法既可以檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)也可以進(jìn)行突變點(diǎn)的檢驗(yàn)。它因?yàn)榫哂胁皇苌贁?shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在氣候要素的檢驗(yàn)中[18]。據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)原理，當(dāng)正序列統(tǒng)計(jì)量UF>0時(shí)，表明序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)UF<0時(shí)，表明序列呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)曲線超出0.05顯著水平置信區(qū)間時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果正序列統(tǒng)計(jì)量UF和反序列統(tǒng)計(jì)量UB 2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在置信區(qū)間則對(duì)應(yīng)時(shí)刻就是突變開(kāi)始時(shí)間。具體的計(jì)算步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

根據(jù)各站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力值，采用反距離加權(quán)插值法(IDW)生成降雨侵蝕力的空間分布。采用一元線性回歸分析降雨侵蝕力的時(shí)間變化特征。再利用M-K檢驗(yàn)分析與氣候傾向率來(lái)分析該區(qū)域降雨侵蝕力的年際變化、未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力分析

利用日降雨量模型算出逐年各半個(gè)月的降雨侵蝕力值，累加得到年降雨侵蝕力值。閩西地區(qū)多年降雨侵蝕力值變化范圍為6 160～1萬(wàn)4 310 MJ·mm/(hm2·h)，平均值為9 504 MJ·mm/(hm2·h)。多年降雨侵蝕力與多年降雨量之間呈正相關(guān)關(guān)系，R2達(dá)到0.95，二者為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。降雨侵蝕力與降雨量的變化基本一致，但是沒(méi)有完全的一致；因?yàn)樵谘芯拷涤昵治g力的時(shí)候只考慮侵蝕性降雨(降雨量≥12 mm)引起的土壤侵蝕，有些年份雖然降雨量多，但是侵蝕性降雨少，降雨侵蝕力小(圖2)。

圖2 降雨侵蝕力與降雨量相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlativity between rainfall erosivity and precipitation

3.2 降雨侵蝕力時(shí)間變化

3.2.1 年內(nèi)變化 閩西地區(qū)降雨侵蝕力主要分布在3—8月，占全年的80.12%，其中6月的降雨侵蝕力是一年中最大的，占全年降雨侵蝕力的18.21%；最小降雨侵蝕力出現(xiàn)在12月，占全年的1.66%。如圖3所示，降雨量和降雨侵蝕力的變化基本一致，出現(xiàn)2個(gè)峰值，在7月出現(xiàn)1個(gè)谷值。

圖3 多年平均降雨量及降雨侵蝕力Fig.3 Multi-year average precipitation and rainfall erosivity

從表1可以知道，1980—2013年降雨量和降雨侵蝕力基本上是同增同減。減少最多的是3月，降雨量減少速率是42.7 mm/10 a，降雨侵蝕力減少速率318.9 MJ·mm/(hm2·h·10 a)；增加最多是6月，降雨量增加速率36.4 mm/10 a，降雨侵蝕力增加速率245.8 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。夏季的氣候傾向率是正值，其他3個(gè)季節(jié)是負(fù)值。綜合全年來(lái)看，降雨量的氣候傾向率是-7.3 mm/10 a，降雨侵蝕力的氣候傾向率是72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。

3.2.2 年際變化 1980—2013年平均降雨侵蝕力為9 504 MJ·mm/(hm2·h)，由圖4可知，該區(qū)降雨侵蝕力波動(dòng)幅度較大，在1983和2006年出現(xiàn)2個(gè)高的峰值，2個(gè)低值出現(xiàn)在1991和2004年，振幅達(dá)到8 150 MJ·mm/(hm2·h)，年際變化大?？傮w來(lái)說(shuō)，降雨侵蝕力呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)，傾向率達(dá)72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。

表1 多年月平均降雨量及降雨侵蝕力氣候傾向率Tab.1 Climate tendency rates of monthly multi-year average precipitation and rainfall erosivity

圖4 多年平均降雨侵蝕力及3年滑動(dòng)平均Fig.4 Multi-year average rainfall erosivity and average moving of 3 years

圖5為閩西地區(qū)降雨侵蝕力的Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)結(jié)果，降雨侵蝕力正序列統(tǒng)計(jì)量UF和反序列統(tǒng)計(jì)量UB曲線都在0.05顯著性水平臨界線內(nèi)，1995年之前降雨侵蝕力是呈下降趨勢(shì)，在1995—2002年有小幅上升的趨勢(shì)，從2002—2012年呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，2012年開(kāi)始有上升的趨勢(shì)。在置信區(qū)間內(nèi)，UF與UB有9個(gè)交點(diǎn)，突變點(diǎn)出現(xiàn)在1995和2002年前后，1995年開(kāi)始降雨侵蝕力有小幅上升趨勢(shì)，2002年開(kāi)始降雨侵蝕力有明顯的下降趨勢(shì)。

圖5 降雨侵蝕力突變分析Fig.5 Mutation analysis diagram of rainfall erosivity

3.3 降雨侵蝕力空間分布特征

運(yùn)用ArcGis軟件的空間分析模塊中反距離加權(quán)插值法(IDW)，得到閩西地區(qū)多年年均降雨侵蝕力空間分布等值線圖(圖6)。降雨侵蝕力在空間上分布西高東低，高值區(qū)在西北部，低值區(qū)在東北部，閩西北部等值線分布密集，說(shuō)明降雨侵蝕力的變化幅度大。

圖6 多年平均降雨侵蝕力空間分布圖Fig.6 Spatial distribution maps of multi-year average rainfall erosivity

表2是各站點(diǎn)降雨侵蝕力34年間變化趨勢(shì)表。在季節(jié)上來(lái)說(shuō)，夏季是上升趨勢(shì)，基本上春秋冬季是下降趨勢(shì)。夏季大強(qiáng)度的暴雨數(shù)量增多，小雨強(qiáng)的降水減少，使得降雨侵蝕力整體呈上升趨勢(shì)，夏季要提高土壤侵蝕的關(guān)注度。從全年來(lái)看，除寧化、中山2個(gè)站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)的降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明閩西地區(qū)的潛在土壤侵蝕的能力呈增大趨勢(shì)，要加大水土保持措施的布設(shè)，從而減少土壤侵蝕。

4 討論

降雨侵蝕力R值是影響福建省水土流失的主導(dǎo)因子之一[20]，閩西地區(qū)又是水土流失重點(diǎn)防治區(qū)，了解該區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空分布特征，為水土保持提供依據(jù)。在上文中，降雨侵蝕力與降雨量、降雨強(qiáng)度有顯著相關(guān)，與吳昌廣等[21]得出的結(jié)論一致。降雨侵蝕力年內(nèi)分布出現(xiàn)2個(gè)峰值，這與閩西地區(qū)的地理位置有關(guān)。根據(jù)中國(guó)東部雨帶的推進(jìn)過(guò)程[22]，從5、6月雨帶北上，閩西地區(qū)雨季開(kāi)始，到7、8月閩西地區(qū)出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象；但由于該時(shí)段臺(tái)風(fēng)帶來(lái)大強(qiáng)度的降雨，尤其是8月登陸福建省的臺(tái)風(fēng)次數(shù)最多，因此造成7月出現(xiàn)谷值，而8月出現(xiàn)小峰值[23]。降雨侵蝕力年際變化趨勢(shì)上，夏季呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與登入福建省的臺(tái)風(fēng)次數(shù)增多有關(guān)[23]；春、秋、冬3個(gè)季節(jié)出現(xiàn)減少趨勢(shì)，這與降雨量的減少相關(guān)。綜合來(lái)看，降雨量呈現(xiàn)微下降趨勢(shì)，但是降雨侵蝕力出現(xiàn)增加趨勢(shì)。這與中國(guó)降雨量變化特征相關(guān)，降雨量總體上沒(méi)有很顯著的變化，但是強(qiáng)降水事件特別是極端降水事件明顯增加，小雨事件顯著減少[24]。

表2 各站點(diǎn)季節(jié)性降雨侵蝕力氣候傾向率Tab.2 Climate tendency rates of seasonal rainfall erosivity in each site MJ·mm/(hm2·h·10 a)

降雨侵蝕力在空間上分布呈西高東低，福建省地勢(shì)由沿海向內(nèi)陸呈現(xiàn)低—高—低—高的分布[25]。閩西東部地區(qū)，正好處于中部山脈的背風(fēng)坡，降雨反而較少，降雨侵蝕力低；而閩西西部地區(qū)，武夷山的迎風(fēng)坡，降雨多，降雨侵蝕力大。除寧化、中山2個(gè)站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)的降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)，其中東興、永安2個(gè)縣區(qū)的上升趨勢(shì)最明顯，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。針對(duì)降雨侵蝕力上升的縣區(qū)，要大力加強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕治理措施的研究，把土壤侵蝕治理與脫貧致富結(jié)合起來(lái)；政府加大資金的投入，防治土壤侵蝕，減少對(duì)人民生產(chǎn)生活的影響。降雨侵蝕力是反映降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力，不能等同于水土流失的能力，所以在制定水土保持措施的時(shí)候，還要綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)等因素。

5 結(jié)論

1)閩西地區(qū)降雨侵蝕力平均值為9 504 MJ·mm/(hm2·h)；年內(nèi)主要分布在3—8月，6月的降雨侵蝕力最大；年際變化上降雨侵蝕力以72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)的速度，緩慢增長(zhǎng)，其中夏季呈上升趨勢(shì)，春秋冬3個(gè)季節(jié)呈下降趨勢(shì)。降雨侵蝕力在1995和2002年出現(xiàn)突變點(diǎn)，1995年之后出現(xiàn)小幅上升，2002年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。6月潛在土壤侵蝕可能性最大，同時(shí)夏季降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)，綜合來(lái)看，夏季潛在土壤侵蝕壓力較大，應(yīng)該加大水土保持措施的布設(shè)。

2)降雨侵蝕力與降雨量二者存在極顯著相關(guān)，空間分布上基本一致，呈西高東低，高值區(qū)在西北部，低值區(qū)在東北部。降雨侵蝕力大的空間要更多的關(guān)注降雨造成的土壤侵蝕，加大植被恢復(fù)力度，從而減少土壤侵蝕。

3)本研究為閩西地區(qū)土壤侵蝕危險(xiǎn)評(píng)估及水土保持措施布設(shè)提供一定的依據(jù)；但是，如果本文能增加站點(diǎn)與年份，可以使結(jié)論更加有價(jià)值。降雨侵蝕力的日雨量模型雖然適用于南方地區(qū)，但與閩西實(shí)際降雨侵蝕力還有一定的差距。通過(guò)野外徑流實(shí)驗(yàn)與降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，推求閩西地區(qū)降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型，從而精確估算降雨侵蝕力，是需要進(jìn)一步深入研究的方向。

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Spatial and temporal variations of rainfall erosivity on West Fujian during 1980 to 2013

DAI Jinmei1,2，ZHA Xuan1,2，HUANG Shaoyan1,2，CHEN Shifa1,2，LIU Chuan1,2，WANG Liyuan1,2，BAI Yonghui1,2

(1.Subtropical Fujian Province Key Laboratory of Resources and Environment,350007,Fuzhou,China; 2.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China)

[Background] Rainfall erosivity is for assessing the potential ability of rainfall on soil erosion.A regional soil erosion prevention and controlling work have a guiding significance.Water erosion is one of the important forms of soil erosion in Fujian province.[Methods] To study the space-time distribution of West Fujian rainfall erosivity pattern,based on the 1980-2013 daily rainfall data of nine weather stations in West Fujian region and using the Daily Rainfall Erosion Force Model to calculate the rainfall erosion force,then methods of linear regression,climate tendency rate,Mann-Kendall test methods and the spatial interpolation methods were applied to analyze the spatial and temporal variations of rainfall erosivity.[Results] 1) The range of annual rainfall erosivity in the West Fujian was 6 160-14 310 MJ·mm/(hm2·h) with an average value of 9 504 MJ·mm/(hm2·h),the amplitude of 8 150 MJ·mm/(hm2·h),average rainfall erosivity was very significantly and positively correlated with the average rainfall.2) There was a spatial distribution pattern of annual rainfall erosivity and it was greater in the western area and less in the eastern area of the studied area,rainfall erosivity of high value area was in the northwest and low value area was in the northeast.The spatial distribution of average annual rainfall erosivity was similar to that of average annual precipitation; nine counties of rainfall erosivity in ascending order,respectively:Ninghua > Dongxing > Guanyinqiao > Zhongshan > Yongding > Shanghang > Yangjiafang > Zhangping > Yong′an.3) The rainfall erosivity concentrated in rainy season (March to August),which contributed 80.12% of the whole year.During the year the distribution curve of rainfall erosivity showed bimodal type,peak for June and August.Rainfall erosivity changed in a positive trend,including January,May,June,July,August,October,November,and December,which was the most obvious in June.Meanwhile,the declining trend of rainfall eruption included February,March,April,and September,which was the most obvious in March.4) The rainfall erosivity showed upward trend in summer,but downward trend in other periods.The annual change of rainfall erosivity indicated that rainfall and rainfall erosivity showed downward trends.Rainfall to changes in the rate of decline in 7.3 mm in every 10 years,and the climate rate of rainfall erosivity was 72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a).5) The abrupt change of rainfall erosivity occurred in 1995 and 2002,respectively,and rainfall erosivity had a slight upward trend since 1995,and from 2002 it had the obvious downward trend.[Conclusions] Soil erosion in the West Fujian is the key prevention area on soil and water erosion,and the government should increase attentions on it.The results of the study provide the basis for the regional soil erosion prediction,the regional risk assessment of soil erosion,and soil erosion management work.

precipitation; rainfall erosivity; spatial-temporal changes; West Fujian region

2016-07-22

2017-06-25

項(xiàng)目名稱：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“強(qiáng)度侵蝕區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與集成”(2014BAD15B02);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“南方紅壤低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理”(2017YFC05054)

戴金梅(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：土壤侵蝕和水土保持。E-mail:djm19921020@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介：查軒(1961—)，男，博士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：水土保持與生態(tài)恢復(fù)。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)04-0001-07

10.16843/j.sswc.2017.04.001