雷楊娜，雷田旺，程 路

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.西安交通工程學(xué)院，西安 710300)

土壤風(fēng)蝕[1]是以風(fēng)力為主的外營力作用于地面所引起塵土、沙的飛揚(yáng)、跳躍和滾動的侵蝕過程。土壤風(fēng)蝕是一個(gè)全球性的環(huán)境問題。中國是世界上受土壤風(fēng)蝕危害最嚴(yán)重的國家之一。土壤風(fēng)蝕是中國干旱、半干旱及部分濕潤地區(qū)土地荒漠化的首要過程。土壤風(fēng)蝕主要受氣候、土壤、地形等因素的影響，而氣候是影響土壤風(fēng)蝕的一個(gè)重要因素，影響土壤風(fēng)蝕的主要?dú)夂蛞蜃影L(fēng)、降水、氣溫、濕度等[2-3]。國際上一般用風(fēng)蝕氣候侵蝕力來描述氣候?qū)ν寥里L(fēng)蝕的影響程度，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)是其定量表示指標(biāo)，也是土地沙化和農(nóng)田風(fēng)蝕的重要評價(jià)指標(biāo)，其研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[4-5]。風(fēng)蝕氣候因子的概念和計(jì)算方法最早由Chepil等[6]提出，用來評價(jià)美國堪薩斯州加爾登城的風(fēng)蝕能力和土壤沙化程度。在多次修正的基礎(chǔ)上，1979年經(jīng)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)進(jìn)一步改進(jìn)，得到了較為成熟的計(jì)算公式[7]，隨后被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)關(guān)于風(fēng)蝕氣候侵蝕力的研究開始較晚，董玉祥等[8]計(jì)算得出我國干旱半干旱地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子指數(shù)一般為10～100，風(fēng)蝕氣候侵蝕力主要受降水與風(fēng)速影響。方祖光等[9]計(jì)算了福建沿海地區(qū)的風(fēng)蝕氣候因子強(qiáng)度，指出沿海地區(qū)秋冬季風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)較大。楊興華等[10]分析了塔里木盆地風(fēng)蝕氣候侵蝕力的基本特征，得出風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)總體呈減小趨勢，主要受風(fēng)速影響，與降水關(guān)系不顯著。祁棟林[11]和吳承永等[12]分別分析了青海省風(fēng)蝕氣候侵蝕力的時(shí)空演變特征和驅(qū)動力，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是影響風(fēng)蝕氣候侵蝕力的主導(dǎo)因素，其次是氣溫，降水影響最小。賈蓮蓮等[13]系統(tǒng)分析了北方15省風(fēng)蝕動力和水蝕動力的時(shí)空分布格局，得出風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)北方高南方低，中部高，東西較低。這些成果對我國風(fēng)蝕氣候侵蝕力的研究具有重要的理論意義。

陜西地跨黃河、長江兩大流域，涉及半干旱、半干旱半濕潤、濕潤半濕潤三個(gè)氣候區(qū)，境內(nèi)山原起伏，有高原、山地、平原和盆地等多種地形，自然條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱[14]。近年來由于氣候變化和人類活動影響，水土流失較為嚴(yán)重，土壤侵蝕面積和強(qiáng)度均高于全國大部分省份[15-16]。本研究通過計(jì)算陜西省94個(gè)氣象站1981—2020年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)，分析陜西省不同地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的基本特征及時(shí)空變化，以期為秦嶺、黃土高原地區(qū)土壤風(fēng)蝕災(zāi)害防治與評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處北緯31°42′至39°35′，東經(jīng)105°29′至111°15′，居我國中部內(nèi)陸。省域南北狹長，地理環(huán)境復(fù)雜，可分為陜北黃土高原、關(guān)中平原和陜南秦巴山地地貌區(qū)。屬大陸季風(fēng)性氣候，跨越干旱到半干旱、半干旱到半濕潤、半濕潤到濕潤三個(gè)氣候區(qū)，南北氣候差異較大。全省年平均氣溫7～16 ℃，北部低于南部，從北向南1月氣溫-10～3 ℃，7月氣溫21～27 ℃。全省年降水量320～1 258 mm，由南向北遞減。年平均風(fēng)速1.7 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)60 d，年平均相對濕度67.5%。

1.2 資料來源

所用資料為陜西省97個(gè)氣象臺站 1981—2020 年的月氣象觀測資料，主要包括月平均溫度、相對濕度、平均風(fēng)速、降水量、平均相對濕度等氣象要素，剔除楊凌站、黃陵站和三原站等3個(gè)不滿30年觀測的氣象站資料，共使用94個(gè)觀測站資料。四季劃分采用氣象季節(jié)劃分方法：春季為每年3—5 月、夏季6—8 月、秋季9—11月、冬季當(dāng)年12月至次年2月。

文中涉及的陜西省、市行政邊界基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)3333號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.3 計(jì)算方法

采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)訂正的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)(C)計(jì)算公式[7]計(jì)算C值：

(1)

(2)

式中，u2為2 m高處風(fēng)速，u10為10 m高處風(fēng)速。

月潛在蒸發(fā)量(Ei)，采用中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》(環(huán)辦生態(tài)〔2017〕48號)文件中提供的計(jì)算方法[18]：

Ei=0.19(20+Ti)2(1-ri)。

式中，Ti為月平均氣溫(℃)，ri為月平均相對濕度(%)。

在計(jì)算得到陜西各站的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的基礎(chǔ)上，采用氣候趨勢分析、空間插值、敏感性分析等方法，分析陜西省風(fēng)蝕氣候侵蝕力的時(shí)間變化趨勢、空間分布特征，并從時(shí)間相關(guān)性、空間相似度和敏感性三方面分析風(fēng)蝕氣候侵蝕力對風(fēng)速變化的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)時(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化 從年均風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)(C)變化曲線圖(圖1)可以看出，陜西省C值年際波動較大，表明年均風(fēng)蝕氣候侵蝕力年際變化顯著，但變化趨勢不明顯。1981—2020年全省平均C值為3.18，1997年最大(7.24)，1983年最小(-0.83)，極差40.6。除冬季C值呈現(xiàn)略微減小趨勢外，春、夏、秋三個(gè)季節(jié)C值年際變化與全年類似，年際波動較大，變化趨勢不顯著(圖略)。全省各區(qū)域年均風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)差異顯著，陜北長城沿線最大，多年平均為13.87，其次為陜北南部和關(guān)中，分別為4.09和3.55，陜南地區(qū)最小，多年均值僅為-0.57。各地區(qū)C值年際變化同全省基本一致，年際變化較大，但變化趨勢不明顯。

圖1 1981—2020年陜西省及各區(qū)域風(fēng)蝕氣候因子年際變化

進(jìn)一步分析C值年代際變化(圖2)，風(fēng)蝕氣候侵蝕力近40 a來經(jīng)歷了先增強(qiáng)后減弱的變化，20世紀(jì)80年代C值較小，距平值為-0.47，90年代C值明顯增大，距平值為0.84，之后逐年代下降，2000年代仍為正距平(0.14)，2010年代轉(zhuǎn)為負(fù)距平，距平值為-0.51。陜北長城沿線地區(qū)在20世紀(jì)80年代為強(qiáng)的正距平(1.20)，90年代和2000年代距平值較小，2010年代為強(qiáng)的負(fù)距平(-1.23)；陜北南部2010年代前均為正距平，且距平逐年代減小，2010年代則轉(zhuǎn)為負(fù)距平；關(guān)中地區(qū)除20世紀(jì)90年代為正距平外，其余年代均為負(fù)距平；陜南地區(qū)20世紀(jì)80年代和2010年代為負(fù)距平，20世紀(jì)90年代至2000年代為正距平。整體來看陜西大部分地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在20世紀(jì)90年代最強(qiáng)，2010年代為近40 a風(fēng)蝕氣候侵蝕力最弱的年代。

圖2 1981—2020年陜西省及各區(qū)域風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)年代際變化

2.1.2 月變化 圖3為陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)月際變化，C值月際變化顯著，1—4月逐漸增大，且在4月達(dá)到最大值，之后逐漸減小，9月達(dá)到最小值，為-0.46。9月之后又逐漸增大。從各季節(jié)C值分布來看，C值季節(jié)特征主要表現(xiàn)為春季最大(1.94)，冬季次之(1.75)，夏秋季很小(均小于0)。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)月和季節(jié)變化特征與陜西當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣麝P(guān)系密切。春季陜西氣候干燥，雨水較少，易出現(xiàn)大風(fēng)天氣；冬季氣溫較低，植被覆蓋度較低，地表多為裸露狀態(tài)。因此冬春兩季更易發(fā)生土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象。

圖3 1981—2020年陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)月變化

2.2 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)空間分布特征

從風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)空間分布圖(圖4)可看出，陜西省風(fēng)蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)出北高南低的空間分布特征，全省94個(gè)氣象站C值范圍為-8.96～30.0。漢中和安康地區(qū)C值小于0，屬不易受風(fēng)蝕區(qū)域；關(guān)中、陜北延安和榆林南部地區(qū)C值小于10，風(fēng)蝕氣候侵蝕力較弱；榆林中部C值在10～20之間，風(fēng)蝕氣候侵蝕力一般；榆林北部定邊地區(qū)C值在20以上，屬于陜西風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)的地區(qū)。整體上，陜西大部分地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力較弱，占全省區(qū)域90%以上，僅10%左右的地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力較強(qiáng)，且主要分布在榆林地區(qū)。風(fēng)蝕氣候侵蝕力的空間分布特點(diǎn)與陜西省的土壤質(zhì)地、降水、風(fēng)速分布規(guī)律關(guān)系密切，同時(shí)也受當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、植被覆蓋等因素影響。陜西省年降水量自北向南逐漸增加，年平均風(fēng)速則是自北向南逐漸降低；因此陜西省風(fēng)蝕氣候侵蝕力分布呈從北向南逐漸減小的空間分布特征。

全省94個(gè)氣象站C值氣候傾向率范圍為-5～4.5(10 a)-1(圖4)，其中負(fù)值主要分布在陜北西部、關(guān)中東部和陜南中東部地區(qū)，占全省所有站的55%，說明這些地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力呈減小趨勢。減小最快的是榆林定邊地區(qū)，C值氣候傾向率在-3(10 a)-1以下，主要原因和風(fēng)速顯著減小有關(guān)[19-20]。40 a間，定邊站平均風(fēng)速從1981年的3.23 m/s減小至2020年的2.20 m/s，風(fēng)速的顯著減小直接導(dǎo)致了定邊地區(qū)C值總體上呈減小趨勢。與此同時(shí)，近40 a榆林東北部、延安東部和安康南部C值隨風(fēng)速的增加而增加，其中神木站風(fēng)速增加了0.78 m/s，C值氣候傾向率在1.5(10 a)-1以上，榆林和延安東部風(fēng)蝕氣候侵蝕力的增加更應(yīng)引起重視。

圖4 1981—2020年陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)及氣候傾向率空間分布

通過檢驗(yàn)各站氣候傾向率并對檢驗(yàn)值進(jìn)行空間插值，得到全省風(fēng)蝕氣候侵蝕力變化顯著區(qū)域(圖5)。年風(fēng)蝕氣候侵蝕力在榆林東部、延安東北部、漢中和安康南部部分地區(qū)顯著增加，榆林中西部、延安東南部、關(guān)中東北部及漢中西部則顯著減小， 且減小區(qū)域大于增加區(qū)域。春季風(fēng)蝕氣候侵蝕力變化情況在陜北地區(qū)與年分布類似，關(guān)中西北部及中部地區(qū)也顯著增加，陜南地區(qū)顯著增加區(qū)域則明顯減少，僅存在于漢中南部小部分區(qū)域，顯著減小區(qū)域主要分布在榆林西部、延安南部與關(guān)中北部交界區(qū)域。冬季風(fēng)蝕氣候侵蝕力變化情況則出現(xiàn)南北兩極化分布，除榆林東部和延安東北部顯著增加外，榆林西部、延安南部、關(guān)中大部和陜南東部均顯著減小，且顯著減小區(qū)域明顯大于增加區(qū)域?？偟膩碚f，風(fēng)蝕氣候侵蝕力在全年及風(fēng)蝕嚴(yán)重的冬春季節(jié)，顯著減小區(qū)域均大于顯著增加區(qū)域，且這種分布特征在冬季表現(xiàn)尤為突出。

圖5 1981—2020年陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化情況空間分布

2.3 風(fēng)速對風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響

2.3.1 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)與風(fēng)速的時(shí)空相關(guān)性 20世紀(jì)80年代至今，中國干旱半干旱地區(qū)風(fēng)速是風(fēng)蝕氣候侵蝕力年際變化的主要驅(qū)動因子[21]。由于陜南地區(qū)風(fēng)蝕現(xiàn)象較少，且該地區(qū)風(fēng)速較小，故側(cè)重研究陜北和關(guān)中地區(qū)風(fēng)速與C值的關(guān)系。對比多年平均風(fēng)速(圖6)與C值變化空間分布情況，發(fā)現(xiàn)二者在陜北地區(qū)變化趨勢基本吻合，在榆林東部和延安東北部地區(qū)風(fēng)速顯著增大，而這兩個(gè)區(qū)域C值也顯著增大；榆林西部和延安東南部風(fēng)速和C值都呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

圖6 1981—2020年陜西省多年平均風(fēng)速變化情況

計(jì)算各站年平均風(fēng)速與C值相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行空間插值，得到二者相關(guān)系數(shù)空間分布(圖7)，在陜北地區(qū)及關(guān)中東部部分地區(qū)二者相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，榆林地區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，說明風(fēng)速確實(shí)是影響C值演變的重要因子。

圖7 1981—2020年陜西省風(fēng)速與風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)相關(guān)系數(shù)

對全省及陜北、關(guān)中的年和春、冬兩季(風(fēng)蝕氣候侵蝕力較強(qiáng))C值和對應(yīng)的平均風(fēng)速進(jìn)行空間相似度分析[22](表1)，發(fā)現(xiàn)全省年、春季和冬季風(fēng)蝕氣候侵蝕力與平均風(fēng)速空間相似系數(shù)分別為0.675、0.782和0.905，說明風(fēng)蝕氣候侵蝕力與平均風(fēng)速的空間分布較為一致，且在風(fēng)蝕較強(qiáng)的冬、春兩季空間一致性更高。陜北地區(qū)年和春季二者空間相似系數(shù)均高于關(guān)中地區(qū)，冬季空間相似系數(shù)略低于關(guān)中，但整體來說這兩個(gè)地區(qū)C值和平均風(fēng)速的空間一致性均高于全省平均。

表1 1981—2020年陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)與平均風(fēng)速的空間相似系數(shù)

2.3.2 風(fēng)蝕氣候侵蝕力對風(fēng)要素的敏感性 為進(jìn)一步分析風(fēng)速演變對風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響，計(jì)算了風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)對平均風(fēng)速的敏感性系數(shù)[23]，并進(jìn)行敏感性分析(表2)。全省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)對平均風(fēng)速的敏感性系數(shù)為2.149，表明若風(fēng)速增大(減小)1%，可誘發(fā)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)增加(減小)2.149%；不同季節(jié)風(fēng)速對風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響有所差異，冬季敏感性系數(shù)明顯高于春季。關(guān)中地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)對平均風(fēng)速的敏感性系數(shù)和全省基本一致，均是冬季明顯大于春季，年敏感性系數(shù)也與全省相差不大，為2.664，即該地區(qū)風(fēng)速變化1%可引起風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化2.664%；而陜北地區(qū)則正好相反，春季敏感性系數(shù)略高于冬季，且年敏感性系數(shù)較小，即風(fēng)速變化1%，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)可變化1.684%。這可能由于土壤風(fēng)蝕不僅受氣候因素影響，還受地形地貌、土壤類型、植被覆蓋等因素影響，而在陜北地區(qū)可能其他因素的影響大于氣候因素的影響。

表2 1981—2020年陜西省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)對平均風(fēng)速的敏感性系數(shù)

3 結(jié)論

(1)1981—2020年全省平均C值為3.18，1997年最大為7.24，1983年最小為-0.83。全省各區(qū)域風(fēng)蝕氣候侵蝕力差異顯著，陜北長城沿線最大，多年平均為13.87，其次為陜北南部和關(guān)中，分別為4.09和3.55，陜南地區(qū)最小，僅為-0.57。各地區(qū)C值年際變化同全省基本一致，年際變化較大，但趨勢不明顯。各地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力風(fēng)蝕氣候侵蝕力均經(jīng)歷了先增強(qiáng)后減弱的變化，除陜南外，全省大部分地區(qū)2010年代均為近40 a最弱的年代。風(fēng)蝕氣候侵蝕力季節(jié)變化特征為春季最大，冬季次之，夏秋季較小。

(2)陜西省風(fēng)蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)出北高南低的空間分布特征。全省94個(gè)氣象站C值范圍為-8.96～30.0，大部分地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力較弱，占了全省區(qū)域的90%以上，僅有10%左右的地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力較強(qiáng)，主要分布在榆林地區(qū)。

(3)年風(fēng)蝕氣候侵蝕力在榆林東部、延安東北部顯著增加，榆林中西部、延安東南部和關(guān)中東北部則顯著減小，且減小區(qū)域大于增加區(qū)域，這種變化特征在冬季表現(xiàn)尤為突出，這與各地區(qū)年及各季節(jié)風(fēng)速空間分布特征一致性較高。

(4)風(fēng)蝕氣候侵蝕力與平均風(fēng)速的相關(guān)性分析顯示，風(fēng)速是影響風(fēng)蝕氣候侵蝕力演變的重要因素。全省年、春季和冬季風(fēng)蝕氣候侵蝕力與平均風(fēng)速空間相似系數(shù)均在0.65以上，表明風(fēng)蝕氣候侵蝕力與平均風(fēng)速的空間分布較為一致，且在風(fēng)蝕較強(qiáng)的冬、春兩季空間一致性更高。敏感性分析顯示，陜北地區(qū)春季風(fēng)蝕氣候侵蝕力對平均風(fēng)速的敏感性更高，而關(guān)中地區(qū)則是冬季敏感性高于春季。