郭小君, 何小武, 李鳳英, 何紹浪

(江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院, 江西 南昌 330045)

氣候變化對各地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響尤為重要[1]。降雨量作為氣象站長期監(jiān)測的重要氣象因子之一，是水土流失發(fā)生不可或缺的主要影響因子[2]，也是水土流失變化的主要驅(qū)動力。降雨侵蝕力(R)反映的是降雨對土壤侵蝕的潛在能力，是美國水土流失通用方程USLE[2]和其改進版RUSLE[4]中6個因素之一，也是中國通用流失方程(CSLE)考慮的最為重要的因素[5]，對其進行深入研究是開展區(qū)域水土流失預測預報、防治及土壤侵蝕機理研究的基礎(chǔ)。海南省由于其降雨量多、強度大、歷時短等特點，使得水力侵蝕成為該省主要的土壤侵蝕形式。據(jù)海南省2013年第一次水利普查結(jié)果顯示水土流失面積達2.116×103km2，比2000年全國第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查的結(jié)果增加了1.678×103km2，水土流失范圍逐年擴增。東方市作為海南省水土流失嚴重的地區(qū)，已被列入《國家水土保持重點建設(shè)工程2013—2017年實施規(guī)劃》中海南省5市縣之一[6]。然而，目前較少見針對海南省各地區(qū)降雨量及降雨侵蝕力的系統(tǒng)研究。為此，本研究擬利用海南省東方市1956—2015年近60 a的日降雨數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析該地區(qū)降雨量、侵蝕性雨量及降雨侵蝕力不同時間尺度上的變化趨勢和特征，以期為該地區(qū)及海南省水土流失防治及土壤侵蝕機理研究提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

東方市地處海南省西南部，處于昌化江下游，地勢東高西低，由東南向西北傾斜，東南部為山地和丘陵，西北部為平原和臺地。該地區(qū)屬熱帶季風海洋性氣候，旱濕兩季分明，降雨量偏小，日照充足，蒸發(fā)量大。年平均氣溫24～25 ℃。1月平均氣溫18.4 ℃，極端最低氣溫1.4 ℃。7月平均氣溫29 ℃，極端最高氣溫為38.8 ℃。年平均降雨量在950～1 900 mm，沿海地帶雨量稀少，僅900 mm左右。年平均蒸發(fā)量在2 310～2 450 mm，年蒸發(fā)量大于年降雨量。為海南全省之最。地帶性土壤為磚紅壤、燥紅土和山地赤紅壤、山地黃壤等，土層深厚，質(zhì)地黏重，但其分散性大，絮固作用小，形成的團聚體不穩(wěn)固，遇短時強降雨，易發(fā)生水土流失現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

為研究海南省東方市60 a來降雨量及降雨侵蝕力的演變趨勢，在中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)上收集了1956—2015年東方市的逐日降雨資料。并對降雨數(shù)據(jù)進行整理，分析不同時間尺度上(年、季、月)降雨量、侵蝕性降雨量的變化特征，利用日降雨數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力的年、季、月值并分析其趨勢演化。四季的劃分按照氣象習慣:3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至第二年2月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力的計算 降雨侵蝕力是指由降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力，是一種客觀評價土壤分離和搬運的重要動力指標。精確估算降雨侵蝕力需要次降雨過程的資料，但由于此資料難以獲得，因此，通常是利用氣象站的日雨量、月雨量或年雨量資料建立簡易估算模型來進行計算。在估算侵蝕力之前需確定侵蝕性降雨，侵蝕性降雨是指降雨產(chǎn)生的徑流引發(fā)土壤沖涮剝離的現(xiàn)象。一般利用降雨量的大小劃分侵蝕性降雨。不同地區(qū)侵蝕性降雨標準的劃分有所差異，國外有以日降雨量≥12.7 mm或≥13.0 mm定為侵蝕性降雨，在我國也有多個劃分標準，如侵蝕性日降雨量≥9.9 mm、≥10.0 mm、≥12.0 mm、≥12.3 mm、≥12.7 mm等[7-11]。本研究采用土壤侵蝕分析中日雨量≥12.0作為侵蝕性降雨。降雨侵蝕力(R)的計算采用章文波等[12]建立的中國降雨侵蝕力的簡易算法，以日雨量估算半月侵蝕力的模型定義為：

(1)

α，β的確定為：

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

式中：M——某半月時段的侵蝕力值(MJ·mm/hm2·h)；k——半月時段的日數(shù)；Pi——≥12 mm的日雨量；Pd12，Py12——≥12 mm的日雨量和年雨量；α，β——模型的待定參數(shù)。通過以上公式，結(jié)合東方市60 a來的日降雨資料，最終得到該地區(qū)日降雨侵蝕力的簡易估算模型為：

(4)

把東方市1956—2015的日降雨量代入公式(4)可得≥12 mm日雨量的降雨侵蝕力，累積每日降雨侵蝕力可得每月降雨侵蝕力，再累積各月降雨侵蝕力則得到年降雨侵蝕力。

2.2.2 趨勢走向檢驗 通過變異系數(shù)Cv，趨勢系數(shù)和氣候傾向率(即每10 a的變化量，用降雨量P，降雨侵蝕力R與時間t一元回歸的斜率的10倍來表示，單位同降雨侵蝕力)，傾向率的年內(nèi)分布等指標分析降雨量、侵蝕力的年際年內(nèi)變化。趨勢系數(shù)可反映氣候要素長期變化的方向和程度，氣候傾向率可以從另一個側(cè)面反映各降雨要素的趨勢變化程度，兩者均表現(xiàn)為大于0則增加，小于0則減小，它們的關(guān)系式[7,13-14]為：

(5)

(6)

σt——數(shù)列1，2，…，n的標準差，這里取n=60；k×10——表示某降雨要素的氣候傾向率。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量隨時間變化特征分析

3.1.1 降雨總量的分布 東方市1956—2015年60 a來年均降雨量982.9±286.0 mm，最大降雨量為1 537.0 mm，最小為275.4 mm，最高年降雨量為最低年的5.6倍，年降雨量在28.0%～156.4%幅度范圍內(nèi)波動，年際變化較大，變異系數(shù)達到了29.1%(表1)。與多年平均降雨狀況相比，20世紀60年代末到90年代初降雨量相對偏少，減少幅度為6.6%，但其變異系數(shù)偏大(13.4%)，其中1986—1995年降雨量偏少幅度最大，為10.1%。另3個時段內(nèi)年降雨量相對偏多，增加幅度為6.5%，但其變異系數(shù)偏小(-20.5%)，其中1996—2005年的時間段內(nèi)增加幅度最大，為8.5%。在10 a尺度上，降雨量均值及標準差的年代際變化整體呈波動增加的趨勢，而各年代際的變異系數(shù)呈波動減小趨勢。

注：表中降雨量的單位均為mm，降雨侵蝕力的單位為MJ·mm/(hm2·h·a)；“變幅”均表示該指標時段值與全時段指標值之差與全時段指標值的比值。

3.1.2 不同時間尺度上降雨量的趨勢變化分析 東方市60a來年均降雨量呈逐漸增加趨勢，年變化的趨勢系數(shù)為0.129(表2)。季節(jié)尺度上，各季都表現(xiàn)為不同程度的增加，春季和冬季降雨量的增加趨勢更大，趨勢系數(shù)分別為0.122和0.101。月尺度上，除2，6，8月呈程度不等的減小趨勢外，其他月份都在不斷增加，2月的減小程度最大，趨勢系數(shù)為-0.140，而7，11，12月的增加程度更為明顯，趨勢系數(shù)都在0.20以上，多數(shù)月份的降雨量呈不明顯的增減趨勢變化。

為分析季、月降雨量的變化對年降雨量變化的影響程度，用相關(guān)分析法確定季、月降雨量與年降雨量的相關(guān)性大小，與季、月降雨量占年降雨量的比例加以比較分析。結(jié)果顯示，季節(jié)尺度上，各季降雨量與年降雨量的相關(guān)程度大小和其占年雨量比例的分布規(guī)律一致，均表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季(圖1)，夏、秋兩季的降雨量與年降雨量在0.01的顯著水平上表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，兩季累積雨量占全年雨量的83.66%，夏季相關(guān)程度最大，占年雨量的51.29%，相關(guān)系數(shù)達0.842。月尺度上，6—10月降雨量與年降雨量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，占年雨量的80.97%，為年內(nèi)的集中降雨月份，而6—9月表現(xiàn)為極顯著性相關(guān)，占年雨量的69.39%，其中8月的相關(guān)程度最高，累積雨量占年雨量的22.48%。雖然東方市多年來年內(nèi)降雨分配極不均衡，季、月降雨量的變化趨勢差異較大，但對年降雨量起主導作用的是夏季的7，8月和秋季的9月，占年降雨量的55.94%。

注：表中“+”為增加，值越大，增加趨勢越明顯；“-”為減小，值越小減小趨勢越明顯。

圖1 東方市多年平均降雨量的月均及季均分布

3.2 侵蝕性降雨量隨時間變化特征分析

3.2.1 侵蝕性降雨量的分布 東方市60 a來年均侵蝕性降雨量816.1±291.2 mm，占多年平均降雨量的83.0%，變異系數(shù)為35.7%(表1)，年侵蝕性最大降雨量1408.1 mm，侵蝕性最小降雨量156.2 mm，最高年侵蝕性降雨量為最低年的9.0倍，侵蝕性降雨量在19.1%～172.5%范圍內(nèi)波動，與年降雨量的變化趨勢一致，波動跨度都很大。各年代侵蝕性降雨量的變異系數(shù)都比同時段年降雨量的變異系數(shù)大，表明離散程度更大。與全年降雨量的分布相似，20世紀60年代末到90年代初侵蝕性降雨量相對偏少，減小幅度為8.3%，變異系數(shù)偏大(13.0%)，其中1986—1995年侵蝕性降雨量偏少幅度最大，為11.1%。另3個時段年侵蝕性降雨量偏大，增加幅度為8.3%，變異系數(shù)偏小(-18.5%)，其中2006—2015年侵蝕性降雨量增加幅度最大，為11.3%。在10 a尺度上，各年代侵蝕性降雨量呈較明顯波動增加趨勢。

3.2.2 不同時間尺度上侵蝕性降雨量的趨勢變化分析 東方市60 a來侵蝕性降雨量與年降雨量的變化趨勢相似，都表現(xiàn)為較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.156(表2)。季節(jié)尺度上，各季也都呈不同程度的增加，春季的增加程度最大，其次是冬季，最小的是秋季。月尺度上，2，4，6，8月的侵蝕性降雨量都呈不明顯的減小趨勢演變，其它各月份都有所增加，其中11，12月增加的程度更大，趨勢系數(shù)分別達到0.266，0.246。通過分析季、月侵蝕性雨量的變化對年侵蝕性雨量的變化的影響，結(jié)果表明，季節(jié)尺度上，夏、秋兩季與年侵蝕性雨量有極顯著的正相關(guān)性，兩季總侵蝕性降雨量占年侵蝕性降雨量的86.73%(圖2)，而夏季占年侵蝕性降雨量的一般以上，相關(guān)系數(shù)達0.855，表明夏季降雨極易引發(fā)東方市的水土流失，應加強對該季節(jié)的防范措施。月尺度上，年內(nèi)侵蝕性降雨主要分布在6—9月，占年侵蝕性降雨量的73.19%，且與年侵蝕性降雨量都表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，8月的相關(guān)性最大，占年侵蝕性雨量的24.12%。相關(guān)程度最低的為1，2，12月，其相關(guān)系數(shù)都為負值，這3個月的侵蝕性降雨量只占年的1.94%，幾乎比其他任何一個月份的占比率都小，說明這段時期的降雨引發(fā)的土壤流失可以忽略不計，對生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)生活并無較大程度的危害。

圖2 東方市多年平均侵蝕性降雨的月均及季均分布

3.3 降雨侵蝕力隨時間變化特征分析

3.3.1 降雨侵蝕力的分布 東方市60 a來年均降雨侵蝕力為9 441.7±4 293.1 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)為45.5%(表1)，變異程度均較各時段全年降雨量和侵蝕性降雨量大，年最大降雨侵蝕力為19 728.7 MJ·mm/(hm2·h·a)，是年最小降雨侵蝕力的14.8倍，體現(xiàn)出各年際較大的幅度變化，離散程度更高。與全年降雨量和侵蝕性降雨量的分布有所差異，20世紀50年代末到90年代初降雨侵蝕力相對偏少，減小幅度為7.6%，但只有在1976—1995年時段內(nèi)變異系數(shù)偏大(11.2%)，其他時段均變異系數(shù)偏小(-8.8%)，其中1986—1995年降雨侵蝕力偏少幅度最大，為14.2%。在10 a尺度上，各年代降雨侵蝕力呈現(xiàn)較明顯的波動增加趨勢。

3.3.2 不同時間尺度上降雨侵蝕力的趨勢變化分析 根據(jù)氣候傾向率和趨勢系數(shù)的數(shù)值變化方向得出東方市60 a來降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的變化趨勢相似，呈現(xiàn)出較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.198(表2)。季節(jié)尺度上，四季都呈較大的趨勢增加，增加趨勢明顯于降雨量和侵蝕性降雨量。月尺度上，除3月份表現(xiàn)不明顯的減小趨勢，其余月份都有不同程度的增加，多數(shù)月份的增加趨勢不太顯著，只有11，12月的趨勢系數(shù)達到0.2以上。通過分析季、月降雨侵蝕力的變化對年降雨侵蝕力的變化的影響，結(jié)果顯示，季節(jié)尺度上，與降雨侵蝕力有極顯著相關(guān)的是夏、秋兩季，兩季降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的88.38%(圖3)，單夏季就占年降雨侵蝕力的一般以上，所占比例為58.82%，相關(guān)系數(shù)達0.880。月尺度上，年內(nèi)降雨侵蝕力主要分布在6—9月，占年降雨侵蝕力的76.37%，且與年降雨侵蝕力都表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，8月的相關(guān)性最大，占年降雨侵蝕力的25.79%。

圖3 東方市多年平均降雨侵蝕力的月及季節(jié)分布

3.4 降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力的相關(guān)性分析

年降雨量、年侵蝕性降雨量和年降雨侵蝕力這三者在時間分布及趨勢變化上有著相似的特征，這與前人的研究結(jié)果一致[15,16]。為此，本研究采用線性回歸和冪函數(shù)回歸兩種方法比較兩兩之間的相關(guān)性。由表3可知，無論是用線性回歸還是乘冪方法分析，三者之間都表現(xiàn)出極好的相關(guān)性，決定系數(shù)達到0.9以上，相關(guān)性最好的是年降雨量和年侵蝕性降雨量，決定系數(shù)r2=0.987 2，其次是侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力。從方法角度，乘冪方程得到的決定系數(shù)均較線性回歸方程的決定系數(shù)大，尤其是年降雨量與降雨侵蝕力，說明用乘冪方程能更好地表現(xiàn)3個降雨指標之間的關(guān)系。

表3 東方市年降雨量、年侵蝕性降雨量及年降雨侵蝕力的相關(guān)性分析

注：P是年降雨量;Pi是年侵蝕性降雨量;R是年降雨侵蝕力。

4 結(jié) 論

(1) 東方市1956—2015年60 a來年平均降雨量為982.9 mm，年侵蝕性降雨量為816.1 mm，年降雨侵蝕力為9 441.7 MJ·mm/(hm2·h·a)。年際變化趨勢一致，都表現(xiàn)為逐漸增加，變異系數(shù)分別為29.1%，35.7%，45.5%。年際差異非常顯著，最高年降雨量為最低年的5.6倍，最高年侵蝕性降雨量為最低年的9.0倍，最高年降雨侵蝕力為最低年的14.8倍。

(2) 60 a來降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)分別為0.129，0.156，0.198。季、月尺度上三個降雨指標的趨勢變化差異較大，但總體變化格局相似，均集中在夏、秋兩季，分別占全年的83.66%，86.73%，88.38%。月尺度上主要集中在6—9月，分別占全年的69.39，73.19%，76.37%，均表現(xiàn)很強的集中性，在此時段內(nèi)三個降雨指標都與全年存在極顯著的相關(guān)性。降雨三指標的季、月分布均為單峰型，季節(jié)內(nèi)夏季最高，各占全年的51.29%，55.14%，58.82%；各月份內(nèi)8月占比最大，各占全年的22.48%，24.12%，25.79%。

(3) 降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力兩兩之間有極強的線性相關(guān)性，用線性回歸方程和乘冪方程得到的決定系數(shù)r2都達到0.9以上，且乘冪方程算出的決定系數(shù)都較線性回歸方程要高，表明乘冪方程能更好地反映三個降雨指標兩兩之間的相關(guān)性。

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