閩西典型紅壤區(qū)降雨侵蝕力變化特征研究

高 翠，查 軒，黃少燕

（1．福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350007；2．福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州350007）

降雨侵蝕力是判斷降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是決定土壤侵蝕程度的重要因素之一［1］，也是通用土壤流失方程 USLE［2］和 RUSLE［3］中的一個(gè)最基本的計(jì)算參數(shù)，用R值表示，為降雨動(dòng)能總量與時(shí)段最大雨強(qiáng)的乘積：∑E·In，或者是基于時(shí)段最大降雨動(dòng)能與時(shí)段最大雨強(qiáng)的乘積En·In的降雨侵蝕力算式組合。威斯奇邁爾（Wischmeier）等經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，降雨動(dòng)能E和最大30min雨強(qiáng)I30的乘積EI30與土壤流失量的相關(guān)性最好，確定了經(jīng)驗(yàn)公式［4］：R＝∑E·I30。降雨侵蝕力與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能等有關(guān)，因而造成侵蝕程度的差異。許建金和黃和炎［5］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為降雨量不同，土壤侵蝕量亦不同，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；耿曉東等［6］通過(guò)研究得出，產(chǎn)沙率的大小和變化與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)；周佩芳等［7］提出雨滴濺蝕作用是引起片蝕的主要侵蝕力；章文波［8］認(rèn)為，降雨量和降雨強(qiáng)度的年際變化共同決定降雨侵蝕力的年際變化規(guī)律等方面的研究均是對(duì)降雨侵蝕力的構(gòu)成因素的探討。基于此，很多學(xué)者對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行了大量研究。王萬(wàn)忠［9］確定了黃土高原的降雨侵蝕力指標(biāo)是E60I10；劉文耀［10］確定了云南昭通盆地的侵蝕力指標(biāo)為EI15；周伏建［11］等研究出福建省降雨侵蝕力指標(biāo)為R＝∑EI60或R＝PI60；黃炎和等［12］推斷出閩南地區(qū)的最佳降雨侵蝕力R指標(biāo)為：R＝∑EI60。在對(duì)不同區(qū)域降雨侵蝕力的研究中，降雨侵蝕力計(jì)算公式總是離不開(kāi)降雨動(dòng)能E和降雨強(qiáng)度I的參與，雖然這種算法精確度較高，但數(shù)據(jù)很難獲取，因此許多學(xué)者都在致力于尋找其他算法。降雨量資料比較容易獲得，目前基于降雨量的R值算法較多。章文波、謝云等［13－16］利用降雨量資料對(duì)我國(guó)北方地區(qū)降雨侵蝕力進(jìn)行了探討，但對(duì)南方紅壤區(qū)R值的研究較少。閩西地區(qū)是福建省乃至南方紅壤丘陵區(qū)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域，尤其是以長(zhǎng)汀為首的縣市，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，生態(tài)修復(fù)與重建困難大、任務(wù)重，需要加強(qiáng)對(duì)該區(qū)降雨侵蝕力特征的研究。因此，本文利用閩西地區(qū)各氣象站較完整的降雨量資料來(lái)計(jì)算降雨侵蝕力，探討降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征，旨為該區(qū)域水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

1 自然地理概況

研究區(qū)位于福建省西部，地跨三明、龍巖兩個(gè)地級(jí)市，包括龍巖、漳平、永安、長(zhǎng)汀、寧化、連城、上杭、永定、武平和清流10個(gè)縣市，面積約23 096．08km2（圖1）。該區(qū)位于武夷山東南部，地勢(shì)西高東低，北高南低，地形以山地、丘陵為主。地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，各地的年平均降水量1 000～2 500mm。據(jù)各氣象站的觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，降水的季節(jié)分布為：3—4月為春雨季，平均降水量120．9～200．8mm；5—6月為梅雨季，平均降水量221．42～289．5mm，以上兩個(gè)雨季的降水占年總降水量的27%～35%；7—9月為臺(tái)風(fēng)雷陣雨季，平均降水量199．5～245．4mm；10月至次年2月為干季，5個(gè)月降水量為129．7～186．4 mm，僅占年總降水量的16%～23%。該地區(qū)花崗巖發(fā)育的土壤分布面積廣，易發(fā)生水土流失。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 資料與方法

2．1 資 料

本研究的降雨資料來(lái)源于福建省閩西地區(qū)各縣雨量代表站中選取的10個(gè)典型站點(diǎn)1980—2009年30a的逐日降雨序列。因清流站資料缺乏，部分值經(jīng)反距離加權(quán)插值獲得。各站點(diǎn)的基本情況見(jiàn)表1。

表1 代表站點(diǎn)基本情況

2．2 模型與方法

黃炎和等通過(guò)回歸分析得到福建省東南部基于降雨量的降雨侵蝕力算法，取得了較好的效果。所以，本文選用黃炎和等提出的月降雨侵蝕力R值簡(jiǎn)便算式［17］：

將年內(nèi)各月降雨侵蝕力R值累加得年R值公式為：

式中：R——降雨侵蝕力指標(biāo)（英制單位）；P——各月降雨總量（mm）。利用上述式（1）—（2）對(duì)月、年降雨資料進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，求出各個(gè)氣象站月降雨侵蝕力和多年年平均降雨侵蝕力。

本文在計(jì)算閩西地區(qū)R值的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)分析、M—K突變分析和ArcGIS空間模塊差值等方法對(duì)閩西地區(qū)降雨侵蝕力突變、時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3．1 降雨侵蝕力年內(nèi)分布

降雨侵蝕力R值與降雨量（P）密不可分。由圖2可知，研究區(qū)1980—2009年月平均降雨量和降雨侵蝕力均隨月份的變化呈現(xiàn)出弱雙峰式分布。表現(xiàn)為1月份降雨侵蝕力較低，從2月份開(kāi)始降雨侵蝕力逐步上升，至6月份達(dá)到最高值，之后降雨侵蝕力開(kāi)始逐步下降大約在7月下旬又上升，8月出現(xiàn)次高值后再次下降，至10—12月份降雨侵蝕力又恢復(fù)低值。從月平均降雨分布來(lái)看，具有侵蝕性的降雨主要集中在3—8月份，月平均降雨量只有7月份均在150mm以上，占年降雨量的75．54%。6月份最大為254．99 mm，占全年的15．53%；從月平均降雨侵蝕力R值來(lái)看，最大值也出現(xiàn)在6月份為82．43（MJ·mm）／（hm2·h），占全年的20．57%，而在8月份再次出現(xiàn)次峰值。這些變化特征與研究區(qū)所處的地理位置及降雨特征有關(guān)，閩西地區(qū)位于福建省，地處我國(guó)東南，臨近海洋，降雨主要集中在春夏季。每年春夏之交，進(jìn)入梅雨季節(jié)降雨較多，8月受臺(tái)風(fēng)影響雨水多，其他月份降雨量小，而且雨強(qiáng)低，降雨侵蝕力較小。

圖2 月平均降雨量和降雨侵蝕力年內(nèi)分布

從季節(jié)變化來(lái)看，研究區(qū)降雨侵蝕力隨季節(jié)變化而出現(xiàn)類(lèi)似波動(dòng)。兩者主要集中在春夏兩季，秋冬較小。春夏季3—8月連續(xù)6個(gè)月的降雨侵蝕力占全年高達(dá)86．33%，明顯高于同期降雨量（75．54%）的百分比。據(jù)此可知，月平均降雨量越大，月平均降雨侵蝕力也就越大。由于R值越大，土壤流失量也就越大［18］，所以研究區(qū)3—8月比其他月份更易發(fā)生土壤侵蝕，尤其6月份是進(jìn)行水土保持工作的關(guān)鍵時(shí)期。

3．2 降雨侵蝕力年際變化

年降雨侵蝕力與年降雨量關(guān)系密切。通過(guò)計(jì)算各年平均降雨量占30a總降雨量的比值和各年平均降雨侵蝕力占30a總降雨侵蝕力的比值繪制圖3，可以看出，研究區(qū)30a來(lái)的降雨量百分比與降雨侵蝕力百分比同步波動(dòng)下降，由此可知，降雨量與降雨侵蝕力變化趨勢(shì)一致，都表現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)。從波動(dòng)幅度上看，降雨量百分比在2．3%～4．4%之間，降雨侵蝕力百分比范圍為1．7%～5．8%。很明顯，降雨侵蝕力百分比變化幅度較大，尤其是1983年和2006年，降雨侵蝕力百分比分別為5．8%，5．6%大于同期降雨量百分比4．4%，3．6%，即降雨侵蝕力年際波動(dòng)幅度大于降雨量，降雨侵蝕力年際變化不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致土壤侵蝕存在易變性。

圖3 年均降雨及降雨侵蝕力百分比

研究區(qū)30a來(lái)年均降雨侵蝕力變化范圍為155．62～525．31（MJ·mm）／（hm2·h），平均值為301．1（MJ·mm）／（hm2·h），其中1983年降雨侵蝕力最大，1991年最小，極值比為3．38。降雨侵蝕力5a滑動(dòng)距平均呈現(xiàn)出極微弱下降趨勢(shì)（圖4），傾向率僅為－0．04（MJ·mm）／（hm2·h）?？傮w表現(xiàn)為：1990年之前呈下降趨勢(shì)，之后波動(dòng)上升至1996年再次下降，在2001年出現(xiàn)極端低值，接著又逐漸上升。

變異系數(shù)Cv是用來(lái)反映特性參數(shù)的變異程度，而在年降雨侵蝕力R值中可以用來(lái)說(shuō)明多年降雨侵蝕力R值之間的離散變化程度。一般認(rèn)為，Cv＜0．1為弱變異性，0．1≤Cv≤1為中等變異性，Cv＞1為高度變異性。經(jīng)計(jì)算得出研究區(qū)各站點(diǎn)多年年降雨侵蝕力變異系數(shù)Cv值的變化范圍在0．2～0．6之間，屬中等變異。從空間上看（圖5），研究區(qū)存在東南部偏高，中部低的特征。南部地區(qū)一般為0．3～0．6，中部地區(qū)為0．3左右，北部地區(qū)不超過(guò)0．4。10個(gè)站點(diǎn)中Cv值最小的是觀音橋站，為0．27，最大的為永定站，值為0．53。說(shuō)明該區(qū)域東南部降雨侵蝕力年際變化最大，中部地區(qū)變化較小。

圖4 30 a降雨侵蝕力逐年變化

圖5 年降雨侵蝕力R值的變異系數(shù)分布

3．3 年降雨侵蝕力突變分析

運(yùn)用Mann—Kendall法分析研究區(qū)1980—2009年年降雨侵蝕力突變特征，結(jié)果如圖6所示，正向序列曲線（UF）表明，1990年之前處于一個(gè)相對(duì)低值期，1982年、2004年后2～3a內(nèi)出現(xiàn)短暫的上升期，1991年后7～8a內(nèi)降雨侵蝕力出現(xiàn)了一個(gè)較長(zhǎng)的上升期。根據(jù)兩條曲線在置信區(qū)間臨界值±1．96（α＝0．05）內(nèi)交點(diǎn)的位置來(lái)判斷突變情況，兩條曲線在1981年、1983年、1984年、1985年、1986年、2002年、2004年和2007年左右存在交點(diǎn)，9個(gè)交點(diǎn)中僅有3個(gè)點(diǎn)距均值較遠(yuǎn)，總體上各交點(diǎn)前后的均值差異不顯著，據(jù)此判定閩西地區(qū)30a來(lái)年降雨侵蝕力不存在明顯突變現(xiàn)象。

3．4 降雨侵蝕力空間分布

運(yùn)用ArcGIS軟件的空間分析模塊，得到閩西地區(qū)多年年均降雨侵蝕力空間分布等值線圖（圖7）。由于地形和氣候條件的影響，南部和北部山區(qū)的R值的集中程度相對(duì)明顯，而東北部則相對(duì)較弱。從降雨等值線圖分析得出，閩西地區(qū)30a來(lái)年均降雨侵蝕力總體趨勢(shì)是北部由東向西遞增，南部由東南、西南向中間遞減。降雨侵蝕力最高值出現(xiàn)在西北部，寧化R值最大為487．91（MJ·mm）／（hm2·h）；東北部最低，永安最小為313．22（MJ·mm）／（hm2·h），相差達(dá)174．69（MJ·mm）／（hm2·h）。

圖6 研究區(qū)降雨侵蝕力M－K曲線

圖7 年均降雨侵蝕力空間分布

4 結(jié) 論

（1）閩西地區(qū)年內(nèi)降雨侵蝕力主要集中在3—8月份，月平均降雨量和降雨侵蝕力均隨月份的變化呈弱雙峰式分布。6月份最高，8月份次高。降雨侵蝕力隨季節(jié)降雨變化而出現(xiàn)類(lèi)似波動(dòng)，春夏季3—8月連續(xù)6個(gè)月的降雨侵蝕力占全年總量的86．33%。

（2）閩西地區(qū)各站點(diǎn)降雨侵蝕力在1980—2009年間波動(dòng)幅度較大。變化范圍為155．62～525．31（MJ·mm）／（hm2·h），平均值為301．1（MJ·mm）／（hm2·h），極值比為3．38。降雨侵蝕力5a滑動(dòng)距平均呈現(xiàn)出極微弱下降趨勢(shì)，但30a來(lái)年降雨侵蝕力不存在明顯突變現(xiàn)象。研究區(qū)多年年降雨侵蝕力變異系數(shù)Cv值變化范圍在0．2～0．6之間，屬中等變異。

（3）閩西地區(qū)降雨侵蝕力（R值）在空間上大致呈北部由東向西遞增，南部由東南、西南向中間遞減。西北部最高，寧化R值最大為487．91（MJ·mm）／（hm2·h）；東北部最低，永安最小為313．22（MJ·mm）／（hm2·h）。

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