王 升，鄭修茹

(1.廣西百色國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會，廣西百色 533612；2.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧 530001)

土壤侵蝕是全世界面臨的主要環(huán)境和農(nóng)業(yè)問題之一,一方面它會導(dǎo)致土壤入滲能力降低，從而使得土壤持水能力下降；另一方面其會降低土壤養(yǎng)分含量，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。土壤侵蝕過程受降雨、地形、土壤結(jié)構(gòu)和植被及作物類型等因素的影響。其中，降雨是土壤水蝕的主要驅(qū)動因素，降雨引起土壤侵蝕的潛在能力稱為降雨侵蝕力(簡稱R)。

國內(nèi)外對降水侵蝕力的時空變化特征的研究已廣泛開展。在國內(nèi)，章文波等提出了適用于我國的日降雨數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力的模型，該模型在我國各地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。史志華等在對武漢降雨侵蝕力特征與日降雨侵蝕力模型研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于武漢地區(qū)的降雨侵蝕力計算模型。陳正發(fā)等基于昆明觀測站1951—2010年逐日雨量數(shù)據(jù)，對我國南方地區(qū)常用的5種降雨侵蝕力計算模型在云南省的適用性進行了分析，篩選出適用于云南省的降雨侵蝕力計算模型，并進一步研究了云南降雨侵蝕力的時空分布特征。王超以四川省40個氣象站點 1971—2000年逐日雨量資料為基礎(chǔ)，采用章文波等基于日雨量資料建立的降雨侵蝕力簡易估算方法，分析了四川省降雨侵蝕力時空分布特征。以上關(guān)于降雨侵蝕力的研究，在計算模型的選擇上大多數(shù)是直接引用其他學(xué)者的研究成果，并沒有對模型的地區(qū)適用性進行適宜性分析，或者已有的一些研究只適用于某些特定的區(qū)域，降雨侵蝕力的計算結(jié)果精確度很難滿足預(yù)測的要求。

2013年第一次全國水利普查水土保持公報顯示，廣西以水力侵蝕(地表土壤或地表組成物質(zhì)在降水、徑流作用下被剝離、沖刷、搬運和沉積的過程)為主(達50 537 km)。盡管廣西已有降雨侵蝕力時空變化特征方面的研究，但這些研究選用的降雨侵蝕力計算模型是直接引用其他學(xué)者的研究成果，并沒有對模型的地區(qū)適宜性進行深入評估，使得計算結(jié)果存在很大的不確定性。廣西喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特區(qū)總面積達9.6×10km，占全區(qū)土地面積的42%。廣西喀斯特與非喀斯特區(qū)盡管外界氣候條件差異較小，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)(母巖、土巖結(jié)構(gòu)、植被類型和分布、地形等)的不同使得地表水與地下水路徑、徑流系數(shù)和相互轉(zhuǎn)化機制等存在差異，也導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤侵蝕以地下漏失為主。該研究擬基于廣西區(qū)1961—2010年23個均勻分布的氣象站點的逐日降雨量數(shù)據(jù)，分別探討適用于廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型，旨在為廣西區(qū)石漠化治理及水土流失治理提供科技支撐。

1 資料與方法

廣西壯族自治區(qū)位于104°26′～112°04′E、 20°54′～26°24′N,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣候溫暖(年平均氣溫16～23 ℃)，雨量豐富,年降雨量1 250～2 000 mm。每年雨量最多的時期主要在4—9月，雨季暴雨過于集中，較大的降雨強度容易造成嚴(yán)重的水力侵蝕。廣西地質(zhì)環(huán)境條件也比較特殊，使得廣西水土流失較為嚴(yán)重，4—9月份降水量占全年降水量的70%～85%，且廣西區(qū)喀斯特地貌廣布,占全區(qū)總面積的41%,連片分布在桂東北、桂西北、桂中和桂西南。

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)收集了廣西25個氣象站點逐日降雨量資料，因平果站和防城站1961—2010年的大部分年份的降雨數(shù)據(jù)不齊全，所以剔除了這2個站點，選取了剩下23個國家基本雨量站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，從建站到現(xiàn)在數(shù)據(jù)記錄較完整。由于廣西喀斯特地貌廣布，且降雨侵蝕過程會受到地質(zhì)、地貌等因素的影響，所以將廣西劃分為喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)來分別探討降雨侵蝕力簡易計算模型的適宜性。如果氣象站點所在的市(縣)喀斯特地貌面積是所在市(縣)總面積的30%，則可以認(rèn)為該氣象站點屬于喀斯特站點，否則就是非喀斯特站點。23個氣象站點中(圖1)，喀斯特站點有10個(融安、桂林、鳳山、河池、都安、柳州、那坡、靖西、來賓、龍州)，非喀斯特站點有13個(蒙山、賀州、百色、田東、桂平、梧州、南寧、靈山、玉林、東興、欽州、北海、潿洲島)。

圖 1 廣西氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Guangxi

降雨侵蝕力計算模型介紹。將以下5種降雨侵蝕力簡易計算模型分別運用于廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)，并依據(jù)田剛等的方法，將5種模型計算的降雨侵蝕力的平均值作為基準(zhǔn)值，然后與5種計算模型的值對比，最后對喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)模型的適宜性進行評價。

(1)模型A。章文波等的日雨量模型：

(1)

=21586-7189 1

(2)

(3)

式中,為第個半月時段的降雨侵蝕力值[(MJ·mm)/(hm·h)]；為該半月時段內(nèi)的天數(shù)；為半月時段內(nèi)第天的侵蝕性降雨量,要求日雨量≥12 mm,否則以0計算；與為模型參數(shù)；12為日雨量≥12 mm的日平均雨量；12為日雨量≥12 mm的年平均雨量。

(2)模型B。CREAMS日雨量模型：

=103151

(4)

式中，為降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為第天的日雨量(mm),日侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)≥12.7 mm。

(3)模型C。吳素業(yè)的月降雨量模型：

(5)

式中,為年降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為月降雨總量(mm)。

(4)模型D。鄭海金等的月雨量模型：

(6)

式中,為年降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為月降雨總量(mm)。

(5)模型E。史東梅等采用人工模擬降雨手段，建立了重慶地區(qū)降雨侵蝕力計算的月雨量模型：

(7)

=××=5249××

(8)

式中,為月降雨量(mm)；為第個月的降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]。

模型適宜性評價方法。選用模型有效系數(shù)()和相對偏差系數(shù)()來評價5種降雨侵蝕力模型在廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)的適用性。

有效系數(shù)()的計算公式如下：

(9)

式中,為模型計算的年降雨侵蝕力，為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力，為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。該研究中，參照田剛等的研究方法，將5個模型計算得到的年降雨侵蝕力的平均值作為該年度的基準(zhǔn)年降雨侵蝕力，將5個模型計算得到的多年(50年)降雨侵蝕力平均值作為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。越接近1，表示模型計算結(jié)果與基準(zhǔn)值越接近，模型的精度越高。

相對偏差系數(shù)()的計算公式如下：

(10)

式中,為模型計算的多年平均降雨侵蝕力;為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。

2 結(jié)果與分析

喀斯特地區(qū)?；诳λ固氐貐^(qū)10個觀測站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，采用5種降雨侵蝕力計算模型，分別計算得到各站1961—2010年降雨侵蝕力指標(biāo)。以河池站和桂林站為例，對喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型計算結(jié)果進行比較。

從河池站不同模型計算的降雨侵蝕力(值)逐年變化(圖2)可以看出，年降雨侵蝕力整體上呈波動變化，5種降雨侵蝕力計算模型得到的降雨侵蝕力都是隨著降雨量的增多而呈現(xiàn)出增大的趨勢，反之亦然；不同降雨侵蝕力計算模型得到的年值存在一定的差異，表現(xiàn)為模型A[16 805.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型B[7 637.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[6 229.3(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[5 209.5(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[3 364.7(MJ·mm)/(hm·h)]，其變化趨勢一致,未出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。另外對于河池站，基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計算的值均大于基于月降雨量的模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖2 1961—2010年河池站不同降雨侵蝕力計算模型R值時間序列分布Fig.2 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Hechi Station from 1961 to 2010

圖3給出了桂林站5種模型計算的值逐年變化。與河池站類似，不同模型得到的逐年值也呈波動變化，且隨著降雨量的增多而增大，反之亦然。不同降雨侵蝕力計算模型得到的年值也存在較大差異，表現(xiàn)為模型B[74 604.7(MJ·mm)/(hm·h)]>模型A[24 069.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[10 251.5(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[9 038.9(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[5 065.5(MJ·mm)/(hm·h)]，各模型計算的值變化趨勢一致。對于桂林站，也表現(xiàn)為基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖3 1961—2010年桂林觀測站不同降雨侵蝕力計算模型R值時間序列分布Fig.3 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Guilin Station from 1961 to 2010

非喀斯特地區(qū)?；趶V西非喀斯特地區(qū)13個觀測站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，采用5種降雨侵蝕力計算模型分別計算值，得出13個觀測站不同降雨侵蝕力模型計算的值在1961—2010年的變化趨勢。以非喀斯特地區(qū)降雨較多的北海站(年降雨量為1 670 mm)和降雨較少的田東站(年降雨量為1 167 mm)為例，對非喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型計算結(jié)果進行比較。

從1961—2010年田東觀測站不同降雨侵蝕力計算模型值時間序列逐年分布(圖4)可以看出，不同降雨侵蝕力計算模型得到的年值表現(xiàn)為模型A[6 894.9(MJ·mm)/(hm·h)]>模型B[6 596.0(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[4 978.6(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[4 089.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E(2 961.8(MJ·mm)/(hm·h)]；除模型E計算的值存在一定的不規(guī)則波動外，其余模型計算的R值均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，表明模型E對不同月份降雨量大小較為敏感。在田東站，也表現(xiàn)出基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖5顯示了1961—2010年北海觀測站不同降雨侵蝕力計算模型值時間序列逐年分布圖。北海站降雨量比田東站年均降雨量多503 mm,不同模型獲得的北海站值在2 578.1～2 7609.4 (MJ·mm)/(hm·h)，而田東站大多則是1 658.1～10 056.1 (MJ·mm)/(hm·h)，北海站值遠大于田東站。不同降雨侵蝕力計算模型得到的年值表現(xiàn)為模型B[13 369.3 (MJ·mm)/(hm·h)])>模型A[10 893.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[9 105.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C(8 100.3 (MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[5 710.2(MJ·mm)/(hm·h)],同樣表現(xiàn)出基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖4 1961—2010年田東觀測站不同降雨侵蝕力計算模型R值時間序列分布Fig.4 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Tiandong observation station from 1961 to 2010

圖5 1961—2010年北海觀測站不同降雨侵蝕力計算模型R值時間序列分布Fig.5 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Beihai observation station from 1961 to 2010

綜上所述，典型4個站點分別用5 種降雨侵蝕力模型計算的值在喀斯特地區(qū)的離散程度遠大于非喀斯特地區(qū)，表明不同模型計算的降雨侵蝕力差異較大，也進一步說明在選用降雨侵蝕力模型時，須對計算模型進行地區(qū)適宜性分析。

喀斯特地區(qū)。不同降雨侵蝕力模型在喀斯特地區(qū)站點的模型有效系數(shù)()和相對偏差()如表1所示?？λ固氐貐^(qū)的10個觀測站中，有6個站點(融安、鳳山、河池、都安、來賓、龍州)模型B的在5種模型中最大，且均在0.89以上接近1，均低于0.05接近0，說明模型B精度在這5種模型中最高。其次精度較高的為模型D，其均大于0，且相對較小，在日降雨量資料缺失僅有月降雨量時，喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力計算可采用模型D。模型A計算結(jié)果明顯偏大，在昆明地區(qū)的研究也表明模型A(章文波等模型)計算得到的降雨侵蝕力偏大。模型E(史東梅等模型)的計算結(jié)果較低，且得到的年值小于其余幾個模型，這可能是由于該模型基于重慶地區(qū)的降雨特征及標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測資料建立，主要適用于重慶地區(qū)。綜上所述，廣西喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力計算，有日降雨資料時宜采用模型B，僅有月降雨資料時宜采用模型D。

非喀斯特地區(qū)。從不同降雨侵蝕力模型在廣西非喀斯特地區(qū)站點的模型和(表2)可以看出，在非喀斯特地區(qū)選取的13個觀測站中，除了蒙山，其余12個觀測站均為模型D的(平均值為0.967)高于其余4個模型，(平均值為0.033)均低于0.11，且在蒙山站模型C與模型D計算的值差異較小(分別為0.897和0.840，分別為0.059和0.102)，說明模型D在衡量廣西非喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力時效果較好。另外，模型E在4個站點(賀州、田東、桂平和玉林)的為負值，其他模型的均為正值，表明基于重慶地區(qū)降雨特征及實測侵蝕數(shù)據(jù)建立的模型E不適用于廣西地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)在廣西地區(qū)，基于日降雨資料的降雨侵蝕力模型(章文波等和CREAMS模型)計算結(jié)果大于基于月降雨資料模型(吳素業(yè)、鄭海金等和史東梅等模型)的結(jié)果。

表1 喀斯特地區(qū)各觀測站不同降雨侵蝕力模型有效系數(shù)(Ef)和相對偏差(Er)Table 1 Effective coefficient (Ef) and relative deviation (Er) of different rainfall erosivity models for different observation stations in the karst area

(2)在喀斯特地區(qū)的10個站點中，有6個站點模型B(CREAMS模型)的穩(wěn)定性較好，具有較大的有效系數(shù)和較小的相對偏差，表明基于日降雨量的模型B在喀斯特地區(qū)較為適用；當(dāng)僅有月降雨量資料時，宜采用模型D(鄭海金等模型)。

表 2 非喀斯特地區(qū)各觀測站不同降雨侵蝕力模型有效系數(shù)(Ef)和相對偏差(Er)Table 2 Effective coefficient (Ef) and relative deviation (Er) of different rainfall erosivity models for different observation stations in the karst area

(3)在非喀斯特地區(qū)的13個站點中，有12個站點模型D(鄭海金等模型)穩(wěn)定性較好,具有較大的有效系數(shù)(平均值為0.967)和較小的相對偏差(平均值為0.033)，表明基于月降雨量的鄭海金等模型在非喀斯特地區(qū)較為適用。