三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕力變化趨勢(shì)及突變分析

汪言在，茍?jiān)娹?，張述?/p>

（1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶400047；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

水土流失導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，影響全球生物化學(xué)循環(huán)乃至全球氣候變化［1－4］。降水作為水土流失的決定性因素［5］，其年際變化是氣候變化的重要信號(hào)［6］，氣候微小變化引起極端降水發(fā)生［7］，進(jìn)而導(dǎo)致水蝕事件增多［6］，增大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性［8］，對(duì)糧食安全構(gòu)成威脅［9］。研究者常使用降雨侵蝕力指標(biāo)表征水蝕潛能［10］。該指標(biāo)與降雨分布、降雨強(qiáng)度及雨量之間有密切關(guān)系，是反映水土流失對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的最佳參數(shù)［11－12］。降雨侵蝕力年際變化分析對(duì)評(píng)價(jià)水土流失潛在危險(xiǎn)性、以及應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義［6］。

三峽庫(kù)區(qū)是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一［13］，其表現(xiàn)為水土流失面積廣，侵蝕強(qiáng)度大［14－15］，是三峽水庫(kù)的主要沙源地［16］。水土流失對(duì)三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［13］及長(zhǎng)江中下游生態(tài)環(huán)境均有不同程度影響［17－19］。分析和評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕變化具有重要科學(xué)和實(shí)踐意義。目前對(duì)該區(qū)域降雨侵蝕力時(shí)間變化的研究少見于文獻(xiàn)，方法上也多以常規(guī)檢驗(yàn)方法為主。本文選取三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）沿江四個(gè)氣象站點(diǎn)1955—2010年共計(jì)56a的日降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用Mann—Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法分析三峽庫(kù)區(qū)降雨侵蝕力趨勢(shì)變化及突變特征，為三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）水土流失防治提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）地理范圍為28°31′—31°44′N，105°49′—110°12′E，約占整個(gè)三峽庫(kù)區(qū)面積的80%。地跨大巴山斷褶帶、川東褶皺帶和川鄂湘黔隆起褶皺帶三大構(gòu)造單元；地貌以山地、丘陵為主；屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降雨量約為1 150 mm，土壤類型主要有紫色土、黃壤、水稻土等。研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，2005年水土流失面積占全區(qū)總面積的48.6%［14］。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象局，選用氣象站點(diǎn)奉節(jié)站（站點(diǎn)號(hào)：57348），萬縣站（站點(diǎn)號(hào)：57432），涪陵站（站點(diǎn)號(hào)：57522）和沙坪壩站（站點(diǎn)號(hào)：57516）。涪陵降水?dāng)?shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為1955年1月1日—2008年12月31日，其余站點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為1955年1月1日—2010年12月31日。氣象站點(diǎn)日降水?dāng)?shù)據(jù)有多種記錄形式，根據(jù)研究需要，并參考相關(guān)研究［20］，本文僅考慮降雨形成的降水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

式中：M——某半月時(shí)段的降雨侵蝕力（MJ·mm）／（hm2·h）；Pj——半月時(shí)段內(nèi)第j日侵蝕性降雨（侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)≥12mm）；k——半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)；α，β——簡(jiǎn)易模型參數(shù)，參數(shù)計(jì)算公式如下：

依據(jù)研究目標(biāo)，首先計(jì)算年、季降雨侵蝕力值，然后就逐年降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)。具體如下：

（1）年、季降雨侵蝕力計(jì)算。使用日雨量簡(jiǎn)易算法計(jì)算逐年降雨侵蝕力［21］。

式中：Pd12——日雨量≥12mm的日均雨量（mm）；Py12——日雨量≥12mm的年均雨量（mm）。上述日雨量算法可直接估算季節(jié)及逐年降雨侵蝕力，該算法在我國(guó)南方地區(qū)具有較高的預(yù)測(cè)精度。計(jì)算奉節(jié)、萬縣、涪陵和沙坪壩氣象站逐年降雨侵蝕力，取四個(gè)站點(diǎn)相同年份降雨侵蝕力平均值，定義為三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）逐年降雨侵蝕力。

（2）趨勢(shì)分析及顯著性檢驗(yàn)。對(duì)于降雨侵蝕力序列x1，x2，…，x56，其變化趨勢(shì)可用 Kendall傾斜度β′表示，即單位時(shí)間內(nèi)的變化量［22］，具體計(jì)算公式如下：

式中：xj，xk——j，k年的相應(yīng)測(cè)量值（56≥k＞j≥1）。若β′＞0，表示降雨侵蝕力在該時(shí)段呈上升趨勢(shì)；若β′＜0，表示呈下降趨勢(shì)。

對(duì)于變化趨勢(shì)的顯著性，采用 Mann—Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)。該方法優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，且計(jì)算方便。以往常用于降水時(shí)間變化分析［22－23］。具體方法如下［24－25］：

對(duì)于降雨侵蝕力序列x1，x2，…，x56，Mann—Kendall法首先定義統(tǒng)計(jì)量S：

式中：xj，xk——j，k年的相應(yīng)測(cè)量值（56≥k＞j≥1）。計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

式中：Z——符合正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量；var（S）——方差。給定α置信水平，若︱Z︱≥Z1－a，則拒絕原假設(shè)，即在α置信水平上，降雨侵蝕力序列存在明顯上升或下降趨勢(shì)。由此來判斷降雨侵蝕力時(shí)間變化趨勢(shì)是否顯著。

（3）突變檢驗(yàn)。突變檢驗(yàn)主要檢驗(yàn)時(shí)間序列的不連續(xù)性［26］，本文分析降雨侵蝕力序列的均值突變。突變檢驗(yàn)的方法有多種［27］。本文采用Sequential Mann—Kendall檢驗(yàn)方法［23，28］。

對(duì)于降雨侵蝕力序列x1，x2，…x56，構(gòu)造秩序列：

其中

定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：E（sk），var（sk）——sk的均值和方差，由以下公式計(jì)算：

按時(shí)間序列x逆序x56，x55，…，x1，重復(fù)上述（8）—（10）過程，同時(shí)使 UBk＝－UFk（k＝56，55，…，1），若UBk和UFk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是降雨侵蝕力突變開始的年份［26］。根據(jù)上述方法，確定降雨侵蝕力突變顯著的年份及突變開始的年份。

2 結(jié)果與分析

2.1 多年平均降雨侵蝕力特征

三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）1955—2010年降雨侵蝕力平均值為5 589（MJ·mm）／（hm2·h·a）（表1），屬中等強(qiáng)度侵蝕［29］。春、夏、秋季節(jié)降雨侵蝕力分別占全年降雨侵蝕力的24%、54%和21%。對(duì)于沿江各氣象站點(diǎn)年降雨侵蝕力，多年平均值范圍為4 688.24～6 567.17（MJ·mm）／（hm2·h·a），其中萬縣站年降雨侵蝕力多年平均值最大，涪陵站最小。夏季是三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕的主要季節(jié)（又以6月、7月比例最大），其次為春、秋兩季。夏季降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力比例范圍為50%～61%，其中奉節(jié)站比例最?。?0%），沙坪壩最大（61%），說明不同氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力年內(nèi)分布存在較大差異。本文分析三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）年、季降雨侵蝕力變化的同時(shí)，也對(duì)各氣象站點(diǎn)年、季降雨侵蝕力變化特征進(jìn)行初步探討，以獲取研究區(qū)降雨侵蝕力變化的空間異同。

表1 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）1955－2010年降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征

由極差和標(biāo)準(zhǔn)差看（表1），降雨侵蝕力年際差異較大。年與季節(jié)降雨侵蝕力時(shí)間序列均為正偏；年降雨侵蝕力與春季降雨侵蝕力偏度與峰度值偏小，服從正態(tài)分布，其余季節(jié)降雨侵蝕力不服從正態(tài)分布。

2.2 降雨侵蝕力變化趨勢(shì)分析

2.2.1 逐年降雨侵蝕力變化趨勢(shì) 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）年降雨侵蝕力（1955—2010年）呈增大趨勢(shì)（Kendall傾斜度β′值為15.19），但在0.05顯著水平下，該變化趨勢(shì)不顯著（表2）。研究表明三峽庫(kù)區(qū)近50a來降水量線性變化也不顯著［30－31］，本文使用 Mann—Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法對(duì)年降雨侵蝕變化檢驗(yàn)結(jié)果與降水量變化一致，說明年降雨侵蝕力變化除與強(qiáng)降水變化有關(guān)，還與降水平均變化有關(guān)。沿江氣象站點(diǎn)年降雨侵蝕力時(shí)間序列Kendall傾斜度β′值均為正值（表2），說明氣象站點(diǎn)年降雨侵蝕力也呈增大趨勢(shì)。其中涪陵站Kendall傾斜度β′值最大（22.21），萬縣最小（0.07），即研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)年降雨侵蝕力變化存在空間分異。但趨勢(shì)顯著結(jié)果表明，在0.1顯著性水平下，僅有涪陵站降雨侵蝕力增大趨勢(shì)顯著。

表2 年降雨侵蝕力Kendall傾斜度β′

2.2.2 季節(jié)降雨侵蝕力變化趨勢(shì) 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）季節(jié)降雨侵蝕力（1955—2010年）時(shí)間變化趨勢(shì)結(jié)果顯示（表3），除秋季降雨侵蝕力減小外，其他三個(gè)季節(jié)均呈增大趨勢(shì)。其中夏季降雨侵蝕力增大幅度最大，Kendall傾斜度為17.85，且通過0.05顯著水平檢驗(yàn)，說明三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）夏季降雨侵蝕力56a來增大顯著。研究認(rèn)為，重慶市近50a來夏季（汛期）降水有增加趨勢(shì)［32－33］，秋季降水呈減小趨勢(shì)［34］，這與本文季節(jié)降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)近似，只是汛期和秋季降水變化未通過顯著性檢驗(yàn)，說明降雨侵蝕力近56a來的變化是氣候變化的反映，但其對(duì)氣候變化響應(yīng)的顯著程度明顯偏強(qiáng)。

氣象站點(diǎn)季節(jié)降雨侵蝕力變化趨勢(shì)結(jié)果顯示（表3），對(duì)于季節(jié)降雨侵蝕力Kendall傾斜度的數(shù)值大小，奉節(jié)、涪陵兩站春、夏季節(jié)數(shù)值明顯偏大；萬縣比其它三個(gè)站點(diǎn)明顯偏小。春季降雨侵蝕力變化趨勢(shì)顯示，涪陵和沙坪壩Kendall傾斜度均為正值，且通過0.05顯著水平檢驗(yàn)，表明近56a來，這兩個(gè)站點(diǎn)降雨侵蝕力呈顯著增大趨勢(shì)；奉節(jié)、萬縣兩站點(diǎn)Kendall傾斜度均為負(fù)值，且未通過顯著水平檢驗(yàn)（sig＝0.05）。夏季降雨侵蝕力變化趨勢(shì)為，奉節(jié)站降雨侵蝕力顯著增大（sig＝0.05），涪陵站也顯著增大（sig＝0.1）。對(duì)于秋季降雨侵蝕力變化，涪陵和沙坪壩Kendall傾斜度均為負(fù)值，且僅沙坪壩站變化顯著（sig＝0.1）；奉節(jié)、萬縣兩站點(diǎn)Kendall傾斜度則為正值，且變化不顯著。各氣象站點(diǎn)冬季降雨侵蝕力變化均不顯著?？傮w來看，奉節(jié)、涪陵和沙坪壩三個(gè)站點(diǎn)夏季降雨侵蝕力增大是導(dǎo)致整個(gè)研究區(qū)夏季降雨侵蝕顯著增強(qiáng)的主要原因。奉節(jié)、萬縣兩站春、秋季節(jié)降雨侵蝕力變化與涪陵、沙坪壩兩站差異較大，表現(xiàn)為傾斜度正負(fù)值相反，這與研究區(qū)地形有一定關(guān)系，沙坪壩、涪陵海拔較低，地勢(shì)平緩，萬縣、奉節(jié)地形復(fù)雜，坡度較大，強(qiáng)降水引起的降雨侵蝕變化較復(fù)雜。

表3 季降雨侵蝕力時(shí)間序列Kendall傾斜度β′

以20a為尺度，分析三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕力年代際變化（表4）。三峽工程動(dòng)工（1994年）以來，三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕力多年平均值（1995—2010年）相比1955—1974年增大幅度為467.08（MJ·mm）／（hm2·h·a），但與1975—1994年多年平均值相比增大幅度僅為17.10（MJ·mm）／（hm2·h·a）。季節(jié)降雨侵蝕力變化結(jié)果顯示（表4），1995—2010年春、秋季降雨侵蝕力多年平均值相比 1955—1974 年、1975—1994 年 均 略 有 減 ??；1995—2010年夏季降雨侵蝕力則明顯增大，相比1955—1974年增大幅度達(dá)740.78（MJ·mm）／（hm2·h·a），相比1975—1994年增大幅度達(dá)到291.08（MJ·mm）／（hm2·h·a）。

由此可見，夏季降雨侵蝕力多年平均值增大是研究區(qū)年降雨侵蝕力增大的主要原因。這也說明，夏季（6—8月）降雨對(duì)全年水土流失潛在危險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大，1994年以來，夏季降雨侵蝕力呈增大趨勢(shì)，夏季水土流失防治亟待加強(qiáng)。

表4 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）降雨侵蝕力年代際變化

2.3 逐年降雨侵蝕力突變分析

2.3.1 年降雨侵蝕力突變分析 根據(jù)Mann—Kendall突變檢驗(yàn)定義［26］，時(shí)間序列均值突變開始年份應(yīng)為UF—UB曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份，由圖1可知，三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）年降雨侵蝕力突變出現(xiàn)的年份為1967年，即1967年后降雨侵蝕力開始增大，至1980s—1990sUF值超過臨界值，表明該時(shí)間段降雨侵蝕力增大顯著（sig＝0.05）。

圖1 研究區(qū)年降雨侵蝕力突變分析

2.3.2 季降雨侵蝕力突變分析 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）季節(jié)降雨侵蝕力突變結(jié)果顯示（圖2），春季降雨侵蝕力突變開始年為1955年，在1970s—1980s中期增大顯著（sig＝0.05）。夏季降雨侵蝕力突變開始年為1979年，在2000年后顯著增大。秋季降雨侵蝕力突變開始年為1957年，在1970s—1980s顯著增大。冬季降雨侵蝕力UF—UB曲線均未超過臨界線，說明冬季降雨侵蝕力未出現(xiàn)顯著變化?？傮w來看，春、秋季降雨侵蝕力突變開始年份在1950s末，在1970s—1980s顯著增大；夏季降雨侵蝕力突變開始年在1979年，在2000年后顯著增大，這一結(jié)果與上文1995—2010年降雨侵蝕力明顯偏大的結(jié)果一致。

各氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力突變結(jié)果顯示（表5），年、季節(jié)降雨侵蝕力時(shí)間序列突變開始時(shí)間主要出現(xiàn)在1960s。降雨侵蝕力時(shí)間序列突變開始后，多數(shù)降雨侵蝕力時(shí)間序列顯著增大（sig＝0.05）。春、秋季節(jié)降雨侵蝕力顯著變化的站點(diǎn)數(shù)量較多，春季為涪陵和沙坪壩，對(duì)應(yīng)研究區(qū)坡度較緩的地區(qū)；秋季為奉節(jié)和萬縣，對(duì)應(yīng)研究區(qū)坡度較大的地區(qū)。夏、冬季節(jié)降雨侵蝕力突變顯著的站點(diǎn)只有奉節(jié)。該結(jié)果說明，地形對(duì)季節(jié)降雨侵蝕力變化具有明顯影響，奉節(jié)在夏、秋和冬季均發(fā)生顯著變化，與其他三個(gè)站點(diǎn)明顯不同，主要與奉節(jié)海拔較高，坡度較大有關(guān)，也說明奉節(jié)地區(qū)水土流失防治工作難度更大。

圖2 研究區(qū)季節(jié)降雨侵蝕力突變分析

表5 三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）沿江氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力突變檢驗(yàn)

3 結(jié)論

（1）三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）1955—2010年降雨侵蝕力呈增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著（sig＝0.05），1995—2010年間年降雨侵蝕力多年平均值相比1975—1994年變化較小，而與1955—1974年平均值相差較大。研究區(qū)季節(jié)降雨侵蝕力變化趨勢(shì)上，僅夏季降雨侵蝕力顯著增大（sig＝0.05），夏季水土流失防治工作需進(jìn)一步加強(qiáng)。

（2）三峽庫(kù)區(qū)（重慶段）年降雨侵蝕力突變開始時(shí)間為1967年；春、秋季降雨侵蝕力突變開始年多為1950s末，并在1970s—1980s顯著增大；夏季降雨侵蝕力突變開始年為1979年，在2000年后顯著增大，近10a是夏季降雨侵蝕潛能增大最明顯的時(shí)期。

（3）各氣象站點(diǎn)1955—2010年降雨侵蝕力均呈增大趨勢(shì)，僅涪陵站趨勢(shì)顯著（sig＝0.1）。奉節(jié)、萬縣站春、秋季節(jié)降雨侵蝕力變化與涪陵、沙坪壩存在差別。

（4）各氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力突變開始年份多對(duì)應(yīng)1960s，突變年后降雨侵蝕力呈增大趨勢(shì)。奉節(jié)在夏季、秋季和冬季都發(fā)生顯著變化，與其他3個(gè)站點(diǎn)差異最大，一定程度上與奉節(jié)站地形復(fù)雜有關(guān)。

致謝：寫作中得到北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院閆冬同學(xué)的幫助，表示感謝！

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