貴州省降雨侵蝕力時空變化特征研究

戴海倫，苑 爽，張科利，朱 青

（1．北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875；2．北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875；3．貴州省農(nóng)科院 土肥研究所，貴陽550006）

降雨侵蝕力R是土壤侵蝕預(yù)報模型中的重要因子［1］，其值大小表征了降雨對于土壤的潛在侵蝕能力。研究降雨侵蝕力的空間分布對指導(dǎo)水土流失防治、水土保持區(qū)劃具有重要的價值與意義。有關(guān)降雨侵蝕力的研究，基本都以USLE［2］模型中的計算方法為前提，以小區(qū)實測資料為基礎(chǔ)，驗證不同地區(qū)的指標(biāo)組合形式、分析空間分布規(guī)律［3－12］。我國疆域遼闊，降雨特征的地域分異性明顯，降雨侵蝕力研究既要考慮模型的統(tǒng)一性，又要充分體現(xiàn)地域差異性。因此，利用不同類型區(qū)徑流小區(qū)實測資料來驗證并計算降雨侵蝕力十分必要。

貴州省地處喀斯特地貌強烈發(fā)育地區(qū)，谷深坡陡，人多地少，陡坡墾殖十分普遍，水土流失極為嚴重。遙感調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，水土流失面積占全省總面積的41．62%［13］。受石灰?guī)r地區(qū)特殊的地球化學(xué)過程影響，貴州省土層厚度普遍較薄。在相同的侵蝕強度下，水土流失的危害遠大于其他地區(qū)。日趨嚴重的石漠化過程已經(jīng)嚴重威脅到該區(qū)域的水土資源狀況與農(nóng)業(yè)安全。因此，開展喀斯特地區(qū)土壤侵蝕定量估算及防治措施效益評價研究尤為重要。寧麗丹等［7］引用并修正了 Yu和 Rosewell［14－15］的降雨侵蝕力計算公式，采用EI10作為最佳組合指標(biāo)計算了我國西南地區(qū)的降雨侵蝕力。楊子生［16］利用布設(shè)在滇東北的小區(qū)觀測資料研究了坡耕地土壤流失方程，建議采用EI60組合來計算降雨侵蝕力指標(biāo)。許月卿等［17］利用寧麗丹等［7］修正的降雨侵蝕力計算方法，用貴州省19個站點的日降雨量資料計算并探討了貴州省降雨侵蝕力的時空分布規(guī)律，指出貴州省降雨侵蝕力主要分布在夏季；近50a來貴州省降雨侵蝕力呈增加趨勢。盡管上述降雨侵蝕力的計算及分布研究對USLE在我國、特別是西南地區(qū)的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻，但在進行貴州省降雨侵蝕力的計算時仍存在以下問題：（1）不同層次、不同區(qū)域尺度的水土流失估算需要不同精度的降雨侵蝕力分布圖。然而，在目前的成果中，研究區(qū)域范圍多集中于全國、西南地區(qū)，尚無法滿足貴州地區(qū)降雨侵蝕力計算的精度要求；（2）在進行西南喀斯特地區(qū)以及貴州省的降雨侵蝕力研究時，不同學(xué)者采用的計算指標(biāo)不統(tǒng)一，且缺乏當(dāng)?shù)貜搅餍^(qū)實測降雨過程及泥沙資料的支持。另一方面，已有研究中所采用的站點偏少、密度較低，難以滿足局部區(qū)域精確計算的要求。針對以上問題，本文利用貴州省羅甸縣徑流小區(qū)的次降雨過程資料，進行貴州省降雨侵蝕力指標(biāo)選定及計算方法確定，嘗試利用常規(guī)雨量站觀測資料計算降雨侵蝕力的簡易方法，并繪制貴州省降雨侵蝕力分布圖，旨在為區(qū)域水土流失預(yù)報與治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 數(shù)據(jù)來源

本文利用貴州省羅甸縣興隆鄉(xiāng)境內(nèi)小區(qū)1992—1997年的32場實測降雨過程資料和土壤流失量資料，進行降雨侵蝕力指標(biāo)的評價篩選，通過回歸分析得出降雨侵蝕力的簡易算法。再利用貴州省內(nèi)分布的264個站點（圖1）1956—2000年的實測數(shù)據(jù)，通過插值算法，繪制貴州省的降雨侵蝕力等值線圖。羅甸小區(qū)為長21m、寬5m，坡度為20°的裸露小區(qū)，土壤為黃紅壤。各站點雨量資料來源于貴州省水利廳。

圖1 貴州雨量站分布圖

1．2 指標(biāo)選取方法

盡管USLE采用EI30指標(biāo)來表征降雨侵蝕力的大小，但由于降雨特性和土壤侵蝕特征的地區(qū)差異，應(yīng)用于各地的指標(biāo)不盡相同。如有學(xué)者建議在黃土高原地區(qū)宜采用EI10［11］，而在東北黑土區(qū)和南方紅壤地區(qū)分別采用E60I30，EI60更適合［18－19］。雖然表達降雨侵蝕力的最佳指標(biāo)存在地區(qū)差異，但其基本表達形式都是降雨動能（E）與某一時段最大降雨強度（I）的乘積（公式1）。本文利用羅甸小區(qū)的降雨過程資料和土壤流失量資料，分別計算每場降雨的總動能，再將每場降雨的總動能與該次降雨的5min最大雨強、10min最大雨強、20min最大雨強、30min最大雨強和60min最大雨強分別相乘，生成5個表征降雨侵蝕力的指標(biāo)EI5，EI10，EI20，EI30，EI60，即R5，R10，R20，R30，R60。 再 分 別 以 每 場 降 雨 的R5，R10，R20，R30，R60為自變量，與該場降雨的土壤侵蝕量進行相關(guān)分析（表1）。根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小，確定貴州地區(qū)計算降雨侵蝕力的最佳指標(biāo)組合。其中，單位降雨動能的計算采用Brown和Foster［20］推薦的公式，見公式（2）。再由公式（3）得到次降雨總動能，最后利用公式（1）計算次降雨侵蝕力。

式中：er——每一時段的單位降雨動能［MJ／（hm2·mm）］；ir——時段雨強（mm／h）；Pr——對應(yīng)時段降雨量（mm）；E——次降雨總動能（MJ／hm2）；Im——一定時長范圍內(nèi)的最大雨強（mm／h）；R——次降雨侵蝕力［（MJ·mm）／（hm2·h）］。

1．3 構(gòu)建降雨侵蝕力簡易算法

計算降雨侵蝕力需要降雨過程資料，而一般雨量站只有降雨量記錄。為了充分利用觀測資料并保證地區(qū)降雨侵蝕力分布圖的精度，需建立采用常規(guī)降雨記錄值計算降雨侵蝕力的簡易方法。以由公式（1）計算出的次降雨侵蝕力值為因變量，利用SPSS回歸分析其與降雨量之間關(guān)系，建立根據(jù)降雨量計算降雨侵蝕力的方法。由此便可利用貴州省雨量站的月降雨量資料計算全省各站不同時段的降雨侵蝕力，并通過Kriging方法進行插值、繪制貴州省降雨侵蝕力等值線圖。

表1 不同降雨侵蝕力指標(biāo)與土壤流失量的相關(guān)性

2 結(jié)果與分析

2．1 指標(biāo)篩選

相關(guān)分析結(jié)果（表1）表明，雖然羅甸小區(qū)的土壤侵蝕量與不同計算指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系都不如黃土高原等地區(qū)高，但仍以EI30的相關(guān)性最好（圖2），相關(guān)系數(shù)為0．640 2。因此，建議在貴州地區(qū)計算降雨侵蝕力時仍采用EI30。

圖2 貴州省羅甸小區(qū)降雨侵蝕力與土壤流失量關(guān)系

2．2 降雨侵蝕力簡易算法

參考其他地區(qū)的研究成果，分別嘗試用R＝a＋bP，R＝a＋blnP，R＝abP＋c和R＝aPb＋c共4種不同模型擬合降雨量與降雨侵蝕力之間的關(guān)系（a，b，c分別為擬合參數(shù)），結(jié)果表明降雨量與降雨侵蝕力之間存在良好的冪函數(shù)關(guān)系（圖3），并得到最佳擬合方程，見式（4），決定系數(shù)R2達到了0．724。

式中：R——降雨侵蝕力R30［（MJ·mm）／（hm2·h）］；P——降雨量（mm）。

用常規(guī)降雨量計算降雨侵蝕力，可大大增加數(shù)據(jù)獲取的范圍，使降雨侵蝕力估算結(jié)果更符合實際。但需要說明的是，由于在方程擬合時使用的資料都是侵蝕性降雨，而不論是日降雨還是月降雨資料都會包含一定比例的非侵蝕性降雨。如果直接使用常規(guī)降雨量計算降雨侵蝕力，結(jié)果勢必會高估。因此，在使用該公式估算前需要進行必要的修訂。為此，從南到北分別選擇有自記雨量計資料的羅甸、龍里、遵義和畢節(jié)四站的降雨資料，按年計算出侵蝕性降雨量占全年總雨量的比例系數(shù)（表2），并以平均系數(shù)作為采用降雨量計算降雨侵蝕力的修訂系數(shù)。結(jié)合上述簡易公式，利用月降雨量資料計算月降雨侵蝕力，再通過將各月值累加計算，得到年降雨侵蝕力值。

圖3 貴州省羅甸小區(qū)降雨量與降雨侵蝕力關(guān)系

表2 不同地區(qū)侵蝕性降雨占年降雨量的比例系數(shù)

2．3 貴州省降雨侵蝕力分布及變化特征

2．3．1 多年平均降雨侵蝕力的空間分布 采用公式（4）計算得到的貴州省1956—2000年多年平均降雨侵蝕力的空間分布如圖4所示。由圖4可見，貴州省多年平均降雨侵蝕力具有明顯的區(qū)域差異性，總體表現(xiàn)為由南向北遞減。全省范圍內(nèi)西南部和東南部降雨侵蝕力較大，東北部次之，中部和西北部相對較低。同時，貴州省降雨侵蝕力還存在若干個高值中心。貴州省降雨量變化范圍為730．8～1 708．5mm，均值為1 184．98mm。多年平均降雨侵蝕力介于3 051．0～8 801．6 （MJ·mm）／（hm2·h），均 值 為 5 299．8（MJ·mm）／（hm2·h）。西南部的盤縣、興義形成高值中心，降雨侵蝕力在6 300（MJ·mm）／（hm2·h）左右；西部的織金、普定附近為另一高值中心，降雨侵蝕力在6 650（MJ·mm）／（hm2·h）左右；另外，東南部的荔波、榕江附近和位于東北部的松桃苗族自治縣也形成了高值中心，降雨侵蝕力在6 300（MJ·mm）／（hm2·h）左右。

2．3．2 貴州省降雨侵蝕力的年內(nèi)分布 通過計算多年平均月降雨侵蝕力并插值制圖后發(fā)現(xiàn)，貴州省降雨侵蝕力的年內(nèi)變化十分明顯，表現(xiàn)出顯著的干濕季變化。每年10月至翌年5月間為干季，6—9月為濕季。干季的降雨侵蝕力普遍偏低，8個月之和變化于1 501．1～4 632．7（MJ·mm）／（hm2·h）之間，空間分布上表現(xiàn)為從東部、東南部向西部、西北部逐漸遞減的趨勢（圖5），干季8個月的降雨侵蝕力占年均降雨侵蝕力的42．6%。在東南部的宰便和東北部的松桃苗族自治縣、銅仁形成高值中心，干季降雨侵蝕力都在3 220（MJ·mm）／（hm2·h）以上；在北部的習(xí)水和西北部的赫章形成低值中心，干季降雨侵蝕力都在1 540（MJ·mm）／（hm2·h）以下。全省濕季降雨侵蝕 力 普 遍 偏 高，集 中 于 1 744．0～5 921．2（MJ·mm）／（hm2·h），在空間分布上表現(xiàn)出西部明顯大于東部的特征（圖6）。濕季4個月的降雨侵蝕力占年均降雨侵蝕力的57．4%。高值中心位于西南部的興義市、盤縣和西部的安順市，濕季降雨侵蝕力在4 200 MJ／（mm·hm2·h）左右；東部的錦屏、三穗等地區(qū)則為低值中心，低于2 100（MJ·mm）／（hm2·h）。

圖4 貴州省多年平均降雨侵蝕力空間分布

圖5 貴州省干季月份多年平均降雨侵蝕力等值線

2．3．3 貴州省降雨侵蝕力分布的年際變化 在計算各站點多年平均降雨侵蝕力的基礎(chǔ)上，又分別計算了貴州省1956—1979年和1980—2000年兩個時段的年均降雨侵蝕力，并進行插值，繪制出降雨侵蝕力等值線圖（圖7—8）。對比圖7、圖8可以看出，貴州省降雨侵蝕力及其分布趨勢在兩個時段內(nèi)未發(fā)生顯著變化，高值中心和低值中心位置基本一致，但數(shù)值大小有一定變化。將1956—1979年與1980—2000年兩時段的R值進行差值計算（后一段減前一段），再繪制變差等值線圖，如圖9所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于1956—1979年，1980—2000年間降雨侵蝕力值多保持穩(wěn)定或有所降低；但在個別地區(qū)，降雨侵蝕力明顯增高。如盤縣、錦屏、余慶等地降雨侵蝕力都有所增高，在荔波西部地區(qū)R值增大幅度在280（MJ·mm）／（hm2·h）以上。

圖6 貴州省濕季月份多年平均降雨侵蝕力等值線

圖7 貴州省1956－1979年均降雨侵蝕力等值線

圖8 貴州省1980－2000年均降雨侵蝕力等值線

圖9 貴州省1956－1979年和1980－2000年兩時段多年平均降雨侵蝕力變化

3 結(jié) 論

本文基于貴州省羅甸小區(qū)的實測降雨過程資料、泥沙資料以及264個站點的雨量資料，計算了貴州省降雨侵蝕力并對其時空分布規(guī)律進行了分析，主要結(jié)論有：

（1）通過對貴州省羅甸小區(qū)1992—1997年32場降雨過程資料進行統(tǒng)計分析，得出貴州省降雨侵蝕力的最佳指標(biāo)組合為EI30。

（2）得出貴州省降雨侵蝕力的簡易算法為：R＝2．0354P1．2159＋45．5649，擬合方程決定系數(shù)達0．724。

（3）采用264個站點1956—2000年的雨量資料，代入擬合方程并修訂后發(fā)現(xiàn)，貴州省降雨侵蝕力的空間變化呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢。其多年平均降雨 侵 蝕 力 變 化 范 圍 為 3 051．0～8 801．6（MJ·mm）／（hm2·h），平 均 值 范 圍 為 5 299．8（MJ·mm）／（hm2·h）。說明該省區(qū)的降雨對土壤具有極強的潛在侵蝕作用。此外，降雨侵蝕力存在明顯的年內(nèi)變化，干濕季差異顯著，濕季4個月的降雨侵蝕力約占全年降雨侵蝕力的57%。

（4）從全省來看，近20a來貴州省的降雨侵蝕力變化不明顯，但個別地區(qū)的降雨侵蝕力有較大幅度的增加，應(yīng)注重水土流失監(jiān)測工作的落實與充分開展。

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