河南省降雨侵蝕力時空變異特征

吳明作，何瑞珍，安樹青，楊喜田，張軍

(1.河南農業(yè)大學林學院，450002，鄭州;2.南京大學生命科學學院，210093，南京)

河南省降雨侵蝕力時空變異特征

吳明作1，何瑞珍1，安樹青2，楊喜田1，張軍1

(1.河南農業(yè)大學林學院，450002，鄭州;2.南京大學生命科學學院，210093，南京)

利用河南省119個氣象臺站自建站始至2003年的逐日降雨量資料，計算其所代表縣(市)的逐年與平均降雨侵蝕力，并利用GIS等工具分析河南省降雨侵蝕力的時空變異特征。結果表明：河南省多年年均降雨侵蝕力總體趨勢是由北向南遞增，最大值出現在南部的新縣、雞公山、商城與桐柏、平輿，其值均超過7 000mJ·mm/(hm2·h·a);河南省多年年均降雨侵蝕力排序結果可分為5個區(qū)域等級，基本與等值線一致;河南省各地的降雨侵蝕力在不同年份變異較大，FFT(快速傅立葉變換)表明無明顯的年際周期性規(guī)律;河南省降雨侵蝕力的年內變化趨勢表現為單峰型，侵蝕主要發(fā)生在7—9月份，集中度在北部區(qū)域均超過60%;河南省降雨侵蝕力與年侵蝕性降雨量或年侵蝕性降雨量和逐日侵蝕性降雨量之間存在極顯著的線性相關性，相關系數分別為0.967 2和0.994 2。

降雨侵蝕力;時空變異;GIS;排序;集中度;河南省

降雨侵蝕力反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是計算水土流失的重要因子之一［1-3］，國內外許多學者對其進行了研究，多數研究探討了降雨侵蝕力的不同算法及其實例應用［4-6］，如利用常規(guī)氣象資料的簡化算法［6-7］、不同算法的比較與分析［7-9］，以及采用GIS工具研究其時空格局特征［10-11］。對河南省降雨侵蝕力也進行了算法［12-13］、變異特征［13-14］、土壤侵蝕評估等研究［15］，但所用資料或者局限于某一區(qū)域，或者年度較短［3，5，10，14］，或者只針對空間、時間的單一變化［16-19］，難以闡明較大范圍與較長時間的變異特征。筆者采用河南省119個氣象站點自建站至2003年間不同年限的逐日降雨量資料，在GIS工具的支持下，分析所代表縣(市)的年降雨侵蝕力的空間變異格局，并采用排序方法劃分基本變化區(qū)域，同時對年降雨侵蝕力年際與年內的時間變化特征進行比較分析，以期為河南省土壤侵蝕預測、水土保持規(guī)劃與決策、流域分區(qū)治理與管理等提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

河南省位于 E110°21'～116°39'，N31°23'～36°22'之間，面積16.7萬km2，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫穩(wěn)定在14℃左右，大致由北向南、由西向東遞增，年平均降水量600～1 200mm，時間與空間分布不均勻，5—8月占全年降水量的70%以上，淮南降水最多達1 200mm，黃淮之間700～900mm，豫西、豫北山地在600～700mm之間。

2 研究方法

2.1 數據來源

自河南省氣象局收集了河南省內119個氣象站點自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年間的逐日降雨量資料，各臺站氣象資料年限為11 a的25個、19 a的7個、20～30 a的4個，其余的均在30 a以上，50 a以上有11個，最長的為53 a。

2.2 數據處理方法

采用半月逐日雨量模型計算降雨侵蝕力。先逐年計算各半月的降雨侵蝕力，匯總后得到各月、各年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力，計算公式［6，20］如下：

式中：Ri為第i個半月時段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h);k為該半月時段內的時間，d;Pj為半月時段內第j天的日降雨量，mm，要求日降雨量≥12mm，否則以0計算，12mm與侵蝕性降雨標準對應;α，β為模型參數，根據區(qū)域降雨特征進行計算;Pd12為日降雨量≥12mm的日平均降雨量，mm;Py12為日降雨量≥12mm的年平均降雨量，mm。

計算出降雨侵蝕力后，采用相關指標來分析其變化特征。其中，變化傾向率以每10 a的變化量表示，即降雨侵蝕力與時間系列一元直線回歸斜率的10倍［16］，集中度采用連續(xù)3個月降雨侵蝕力之和占當年降雨侵蝕力的比例表示［20］。

數據處理過程中，采用Microsoft Excel 2003軟件進行一般計算與回歸分析，利用GIS工具繪制空間等值線圖，采用Canoco for Windows 4.5軟件進行排序、ForStat 2.1進行聚類與趨勢面分析，采用OriginPro 8.0軟件進行年際變化周期性的FFT(快速傅里葉變換)分析。分析過程均采用各軟件缺省值。

3 結果與分析

3.1 降雨侵蝕力的空間分布特征

不同區(qū)域的模型參數值α、β有較大差異。經計算，參數 α的取值在0.56～1.91之間，平均為1.27;參數 β的取值在1.40～1.66之間，平均為1.49。與參數α相比，參數β區(qū)域變化的空間差異相對較小。

利用各站點模型參數計算所代表縣(市)的降雨侵蝕力，在GIS工具支持下繪制的降雨侵蝕力空間分布格局見圖1。結合各站點經緯度與ForStat 2.1工具進行趨勢面分析，結果見圖2。

由圖1可知，河南省多年平均降雨侵蝕力的空間變異較大，這與許多報道［16-20］一致。圖2與圖1的結果基本一致，河南省的降雨侵蝕力隨緯度增加(由南向北)逐漸減輕，隨經度變化不太明顯，但在較高緯度(北部)區(qū)域，隨經度增加(由西向東)有所增加，其分布特征與雨量分布及由此引起的土壤侵蝕均一致［14-15，20］。故可認為：河南省降雨侵蝕力空間變化的基本趨勢是由北向南遞增，并在北部區(qū)域由西向東遞增，在南部和中南部地區(qū)較大，在北部、西部和西北部邊緣處較低，西南部、中部處于中等水平;在南部的新縣、雞公山、商城、桐柏與平輿等地形成降雨侵蝕力的最高值中心，侵蝕力值均在7 000mJ·mm/(hm2·h·a)以上，在中南部的南召、方城、社

圖1 河南省降雨侵蝕力空間分布格局(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．1 Spatial distribution pattern of rainfall erosivity in Henan Province

旗與南部的唐河、泌陽、信陽一帶形成降雨侵蝕力較高值，侵蝕力值在5 000 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間，在西部的三門峽、靈寶、盧氏、洛寧，北部的濟源、焦作、沁陽、偃師一帶形成降雨侵蝕力的低值中心，侵蝕力值在 2 300mJ·mm/(hm2·h·a)左右。

圖2 河南省降雨侵蝕力空間變化趨勢面分析(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．2 Spatial trend analysis of rainfall erosivity in Henan Province

利用降雨侵蝕力數據，由ForStat 2.1進行聚類(采用最短距離、系統(tǒng)聚類)，由Canoco for Windows 4.5進行DCA排序(數據經平方和轉換)，結果見圖3?？芍虿捎弥笜擞兴煌?，排序結果圖與等值線分布圖基本一致但稍有差別，結合聚類結果與具體數據綜合分析，除個別站點外，自左至右基本上對應了降雨侵蝕力由小到大的變化趨勢，并可分為以下9個區(qū)域。

1)區(qū)域Ⅰ～Ⅳ：主要為河南省西部與西北部地區(qū)，降雨侵蝕力 ＜3 500mJ·mm/(hm2·h·a)，多數在2 000mJ·mm/(hm2·h·a) 以下。

2)區(qū)域Ⅴ：主要為南陽盆地，降雨侵蝕力在3 500mJ·mm/(hm2·h·a) 左右。

3)區(qū)域Ⅵ：包括的地區(qū)范圍較大，主要為河南省北部、中部與東部平原地區(qū)，降雨侵蝕力變化范圍也較大，多數在 3 500 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間。

4)區(qū)域Ⅶ～Ⅷ：主要為河南省南部的駐馬店與信陽地區(qū)，降雨侵蝕力較大，多在5 500～6 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間，少數在 6 500 ～7 000mJ·mm/(hm2·h·a)之間。

5)區(qū)域Ⅸ：主要為河南省南部的信陽地區(qū)與南陽的桐柏縣，為降雨侵蝕力最大值所在區(qū)域，其值均超過 7 000mJ·mm/(hm2·h·a) 。

可見，也可采用聚類與排序方法進行降雨侵蝕力的區(qū)域劃分，從而有利于水土流失的區(qū)域劃分與分區(qū)治理。

3.2 降雨侵蝕力年際變化特征

因地點太多，故依據等值線圖與排序圖以及聚類結果，并結合河南省實際情況，沿京廣線、隴海線并重點考慮西部山區(qū)，選取如下14個站點進行時間變化分析：平原區(qū)域由北向南的安陽、鄭州、民權、許昌、駐馬店與東部省界的永城、固始，西部山區(qū)由北向南的焦作、靈寶、汝陽、西峽、淅川(為南水北調水源地)、桐柏、新縣。各地點資料年限均在40 a以上，且分別位于河南省的北、中、東、西北、西南、南各個區(qū)域，基本可以代表河南省的情況。

圖3 河南省降雨侵蝕力排序結果Fig．3 Ordination result of rainfall erosivity of different sites in Henan Province

各地點不同年份的降雨侵蝕力以及相關的各項統(tǒng)計特征指標見表1?？梢钥闯?，各地點降雨侵蝕力的年際變化很大，最大值與最小值的比值、最大值與平均值的比值、變異系數和傾向率均較大，但與平均值沒有對應關系，在空間格局中也沒有規(guī)律性。

表1 降雨侵蝕力年際變化統(tǒng)計特征Tab．1 Yearly change of statistic characters of rainfall erosivity in Henan Province

河南省降雨侵蝕力的變異系數在18.9%(新鄭市)～88.7%(西平縣)之間變動，平均44.9%，空間分布上大致有3個高值中心：中部駐馬店地區(qū)的西平、上蔡、平與等地，多數均在60%以上;沿黃河地區(qū)原陽、鞏義、武陟、修武等地，以及東北部地區(qū)的濮陽、?？h、臺前等地，其值多在50%以上，其他地區(qū)除少數外均在50%以下;較低值多出現在商丘地區(qū)及其向許昌延伸一帶，以及西南部、南部的南陽、信陽等地。

傾向率值在-2 376.6(蘭考縣)～2 432.9(遂平縣)之間變動。所有地點中，降雨侵蝕力可能增加的占46.2%，可能減少的占53.8%，但趨于惡化的地區(qū)仍然較多，在水土保持規(guī)劃與水土流失治理時應引起重視。

除個別地點外，降雨侵蝕力最大值與平均值的比值、最大值與最小值的比值基本上均表現出與變異系數較一致的變動特征，凡變異系數出現高值的地點，其2個比值也較大(但只有最大值與平均值的比值與變異系數的相關系數達到0.916 6)，而傾向率的變化與上述3個指標的變化并不完全一致，說明單獨使用傾向率指標并不能說明一個地區(qū)的降雨侵蝕力情況，應結合其他數據使用。

所選取14個站點不同年份降雨侵蝕力變化曲線見圖4。可知，各個地點不同年份的降雨侵蝕力均具有較大變化，而且會出現某些年份達到很高水平，所以，在水土流失治理時應引起重視。

圖4 河南省不同區(qū)域降雨侵蝕力不同年份的變化曲線Fig．4 Yearly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

通過Origin8 Pro的FFT(快速傅里葉變換)分析(hamming算法，平方和法計算振幅)表明，各地點降雨侵蝕力的年際變化并沒有明顯的同期性，而通過Forstat 2.1時間序列的諧波分析 (矩陣求和法，顯著度90%)表明，除靈寶、民權、汝陽、淅川、許昌、永城、鄭州有一個約6 a的周期、鄭州另有一個約9 a的周期、駐馬店另有一個約20 a的周期外，多數地點還有一個約3 a的小周期。3 a的小周期在長期變化上似乎可信度較小，且擬合性較差。從實際值的年際變化(圖4)也看不出規(guī)律性，故綜合分析認為，降雨侵蝕力的年際變化并沒有明顯的年際同期性，因為降雨侵蝕力主要取決于降雨量與降雨強度，而一個地點的降雨量、降雨強度本身并沒有良好的年際變化規(guī)律，因此，可以認為，降雨侵蝕力的年際變化基本上是一個隨機過程，取決于氣象要素的變化。

3.3 降雨侵蝕力年內變化特征

以上述選取的14個代表性地點計算不同月份的多年平均降雨侵蝕力的變化情況，結果見圖5?？梢钥闯觯汉幽鲜雀鲄^(qū)域降雨侵蝕力的年內變異規(guī)律均是 7—9月份大、其余月份小的單峰型式［10，16］，這與河南省降雨多集中于這幾個月份是相關的;但因為該期間降雨的集中程度有差異，表現在降雨侵蝕力的集中程度上也有差別。在北部區(qū)域(圖5(a))，7—9月份降雨侵蝕力的集中度一般均超過60%，5—10月份的可達90%以上，峰頂較明顯;而在南部區(qū)域(圖5(b))，7—9月份降雨侵蝕力的集中度在65%以下，5—10月份的在90%以下，峰頂較寬。說明在河南省南部區(qū)域，因降雨相對較為分散，全年均可能發(fā)生較大的水土流失，而在北部區(qū)域，因降雨相對較為集中，發(fā)生水土流失的時期主要集中在7—9月份。

3.4 降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的相關性

河南省多年降雨侵蝕力變化范圍在2 061.3～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之間，多年平均侵蝕性年降雨量變化范圍在353.7～1 038.5mm之間。降雨侵蝕力與年均降雨量間的相關系數為0.967 0，與年均降雨量和多年平均的侵蝕性日降雨量復合的相關系數達0.994 4，均達極顯著相關水平，但與多年平均日降雨量的單一相關系數只有0.631 5(圖6)。用散點圖擬合時，部分地點以乘冪關系較為理想，其相關系數可達到0.712 7，其原因可能與降雨強度有關。

圖5 河南省不同區(qū)域降雨侵蝕力月變化曲線Fig．5 monthly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

對上述14個地點不同年份的降雨侵蝕力與侵蝕性年均降雨量、平均日降雨量進行回歸，結果見表2。可知，降雨侵蝕力與侵蝕性平均日降雨量的相關性比較小，難以建立良好的回歸式用于預測;但與侵蝕性年降雨量的相關性均較好，其相關系數均在極顯著水平上并超過0.91，而與侵蝕性年降雨量、平均日降雨量2個參數的復合相關性也較好，其相關系數在極顯著水平上均超過了0.96，因此，可以認為，以侵蝕性年降雨量、平均日降雨量共同預測降雨侵蝕力，可能會比單用其中一個因子的效果要好些。

4 結論與討論

1)河南省多年平均降雨侵蝕力變化范圍在2 061.3 ～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之間，具有較強的時空變異特征，總體趨勢為南部、中南部較大，最大值出現在雞公山、新縣、商城、桐柏與平輿等地，年均值超過 7 000mJ·mm/(hm2·h·a);排序結果可分為9個區(qū)域，基本上與等值線相對應，聚類與排序方法可用于降雨侵蝕力、水土流失區(qū)域劃分與分區(qū)治理中。

圖6 降雨侵蝕力與降雨量之間的相關性Fig．6 Relationship between rainfall erosivity and yearly precipitation

表2 降雨侵蝕力與降雨量之間的相關系數Tab．2 Correlation coefficient between rainfall erosivity and precipitation

2)降雨侵蝕力具有較明顯的年際變化動態(tài)，無明顯的周期性年際變化規(guī)律，降雨侵蝕力的變異系數范圍在18.9% ～88.7%之間，空間分布上大致有3個高值中心;傾向率的變動范圍在-2 376.6～2 432.9之間，但其變化與其他指標并不一致?？芍瑔为毷褂脙A向率不能說明一個地區(qū)的降雨侵蝕力情況，應結合其他指標一起使用。

3)河南省降雨侵蝕力的年內變化均是單峰型式的，北部區(qū)域一般峰頂較明顯，而南部區(qū)域峰頂較寬，在制定水土流失區(qū)劃、防治或治理分區(qū)時應引起重視。

4)降雨侵蝕力與侵蝕性年降雨量、侵蝕性年降雨量和日降雨量復合因子均具有良好的線性相關性，相關系數均可超過0.91并具有極顯著水平，但與侵蝕性日降雨量的相關性較小?？芍?，以侵蝕性年降雨量、平均日降雨量為基礎預測降雨侵蝕力要比單獨用其中一個因子的效果好。

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Spatial and temporal variations of rainfall erosivity in Henan Province

Wumingzuo1，He Ruizhen1，An Shuqing2，Yang Xitian1，Zhang Jun1
(1.College of Forestry，Henan Agricultural University，450002，Zhengzhou;2.School of Life Science，Nanjing University，210093，Nanjing：China)

Rainfall is themain factor that causes soil erosion，and rainfall erosivity is themain dynamic index.So，accurately estimating the rainfall erosivity and analyzing its spatial and temporal variation is the key to predict soil erosion.Using the daily rainfall data of 119meteorological sites in Henan Province from the year the site establishing to the year 2003，this paper calculated the rainfall erosivity of 119 sites in Henan Province，and analyzed its spatial and temporal variation.The results showed that：the yearly average rainfall erosivity in Henan Province generally increases from north to south，and themaximum value appears in Xinxian County，Jigongshanmountain，Shangcheng County，Tongbai County and Pingyu County in the southern part of Henan Province，where erosivity are all above 7 000mJ·mm/(hm2·h·a).According to yearly average rainfall erosivity，Henan Province can be classified 5 regional zones，which are consistent with rainfall erosivity isoline.The rainfall erosivity of all sites varies significantly with different years and has no yearly periodical principle by fast fourier transform(FFT).In one year period，the erosivity shows amono-peak type，andmainly occurs in July to September with the concentration rate of 60%in the northern part.The erosivity has significant relationship with yearly erosion precipitation or the yearly erosion precipitation and daily erosion precipitation，and the correlation coefficient are 0.967 2 and 0.994 2，respectively.

rainfall erosivity;spatial and temporal variation;GIS;ordination;concentration rate;Henan Province

2011-12-15

2012-03-22

國家科技部重大專項“淮河流域水生態(tài)功能一級、二級分區(qū)”(2008ZX07526-002-03);淮河水利委員會“淮河流域水土保持生態(tài)修復機理和評價指標體系研究(伏牛山區(qū)片)”(2007-2009)

吳明作(1965—)，男，博士，副教授。主要研究方向：生態(tài)系統(tǒng)結構與功能。E-mail：wumingzuo@hotmail.com

(責任編輯：宋如華)