1980-2009年閩東南地區(qū)降雨侵蝕力的時空分布特征

崔曉燕, 查 軒, 黃少燕

(福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室, 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)研究所, 福建 福州 350007)

1980-2009年閩東南地區(qū)降雨侵蝕力的時空分布特征

崔曉燕, 查 軒, 黃少燕

(福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室, 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)研究所, 福建 福州 350007)

摘要：[目的] 揭示閩東南地區(qū)降雨侵蝕力的時空變異特征，為區(qū)域水土流失防治及水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。[方法] 基于閩東南地區(qū)1980—2009年26個雨量站的逐日降雨數(shù)據(jù)，運用福建省降雨侵蝕力簡易算法。[結(jié)果] 閩東南地區(qū)降雨侵蝕力年內(nèi)分布集中于5—8月，呈現(xiàn)雙峰式分布；降雨侵蝕力年際間變化幅度較大。1982年年降雨侵蝕力(R值)低至253.82 (MJ·mm)/(hm2·h)，2006年R值高達(dá)725.39 (MJ·mm)/(hm2·h)，極值比為2.86；30 a內(nèi)的閩東南地區(qū)的降雨侵蝕力并未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。[結(jié)論] 研究區(qū)內(nèi)降雨侵蝕力R值空間分布不均勻，總體上呈現(xiàn)沿海向內(nèi)陸增加，西南高東北低的趨勢。

關(guān)鍵詞：閩東南地區(qū); 降雨侵蝕力; Mann—Kendall突變檢驗; 變異系數(shù)

福建省是中國南方紅壤區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，2011年底土壤侵蝕總面積為1.21×104km2[14]。閩東南地區(qū)是福建省的經(jīng)濟發(fā)展中心，但也是福建省水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域。其中降雨，尤其是臺風(fēng)帶來的暴雨等是其發(fā)生的主要外動力因素之一。關(guān)于該區(qū)域降雨侵蝕力的研究多集中于1990年之前。應(yīng)用近年來的觀測數(shù)據(jù)進行研究較為鮮見。因此,本文以1980—2009年的逐日降雨量為數(shù)據(jù)源，從多方面揭示閩東南地區(qū)近30a來降雨侵蝕力的時空變異特征，旨在為該區(qū)域水土流失防治及水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省東南部，介于東經(jīng)117°12′—120°31′，北緯23°34′—26°35′，包括福州、廈門、漳州、泉州、莆田5市，總面積約4.20×104km2(圖1)。地勢由西北向東南傾斜。西部多為山地，自山地往東多為平原丘陵區(qū)。該區(qū)地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量達(dá)1 200～2 500mm。每年5—9月降水較多，其中8，9月以臺風(fēng)帶來的暴雨為主，是福建省降雨量最豐富地區(qū)之一。土壤以花崗巖性紅壤、赤紅壤為主，土層薄，細(xì)碎巖石顆粒較多，土壤極易遭受沖刷，水土流失嚴(yán)重。

圖1　研究區(qū)地理位置及雨量站分布

2數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源

本研究采用閩東南5個市轄區(qū)內(nèi)的26個氣象站點的逐日降雨數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于福建省氣象局，時間為1980—2009年。數(shù)據(jù)包括各個站點的經(jīng)緯度、海拔高度、逐日降水量等。

2.2　研究方法

黃炎和[13]運用回歸分析方法求得福建省南部以月降雨量為基礎(chǔ)的降雨侵蝕力的簡易算法，并得到較好的驗證。因此本文采用此計算方式計算研究區(qū)的降雨侵蝕力。

(1)

式中：R——降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h)〕；Pi——各月降雨總量(mm)。

(2)

式中：R年——年降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h)〕；Pi——各月降雨總量(mm)。利用日降雨量求得月降雨總量，運用公式(1)求得月降雨侵蝕力，進而疊加得到年降雨侵蝕力。

本文在此基礎(chǔ)上，將采用統(tǒng)計分析、Mann—Kendall突變檢驗和ArcGIS 9.3軟件的空間分析模塊的插值功能對閩東南地區(qū)多年降雨侵蝕力的時空變異特征進行分析研究。

3結(jié)果與分析

3.1　降雨侵蝕力的時間變化

3.1.1年內(nèi)變化月降雨侵蝕力與降雨量密切相關(guān)。由表1可以看出，研究區(qū)域內(nèi)1980—2009年月均降雨量和降雨侵蝕力的月變化均呈現(xiàn)雙峰式分布。1—6月降雨侵蝕力逐月增大，到6月達(dá)到第一個峰值，7月下降，8月降雨侵蝕力回升到第二個峰值，9月又有所降低，10月以后急劇減少，直至年底，降水侵蝕力達(dá)到年內(nèi)最小值。降雨侵蝕力較大的值分布在5—8月，其值變化區(qū)間為51.16～76.22 (MJ·mm)/(hm2·h)，占全年侵蝕力的66.16%。降水量同樣主要集中于5—8月。研究區(qū)內(nèi)月降水量的平均值為125.4 mm，而5—8月的平均值高達(dá)206.56 mm。

以上現(xiàn)象主要與閩東南地區(qū)的地理位置及降雨特征有關(guān)。閩東南地區(qū)位于南亞熱帶季風(fēng)氣候，降水量主要集中于春夏兩季。春夏之際，由于受東南季風(fēng)帶來的大量暖濕氣流影響，降雨豐沛。7月受副熱帶高氣壓帶控制，干旱少雨。8月隨著的臺風(fēng)到來，降水量又大幅度回升。其他月雨量較少，降雨侵蝕力也相應(yīng)較低。

表1　研究區(qū)1980-2009年月均降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)分布

研究區(qū)內(nèi)降雨侵蝕力季節(jié)分配不均。多年平均降雨侵蝕力主要集中于春、夏兩季，占全年的比例分別為28.7%和52.63%，合計81.33%。由于R值越大對土壤沖刷的作用越大[15]，因此水土保持措施的修建應(yīng)該避開5—8月的汛期。開展水土保持監(jiān)測工作，6和8月是關(guān)鍵。

3.1.2年際變化針對閩東南地區(qū)26個雨量站連續(xù)30 a的降雨資料，本文從降雨侵蝕力的年際動態(tài)、5 a滑動距平趨勢以及變異系數(shù)3個方面進行分析。

1980—2009年閩東南地區(qū)的年均降雨量及降雨侵蝕力年際變化情況表明(圖2)，年降雨侵蝕力與年降雨量的年際變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)出略上升趨勢。從波動幅度上看，研究區(qū)30 a年均降雨侵蝕力變化區(qū)間為253.82～725.39 (MJ·mm)/( hm2·h)，平均值為378.63 (MJ·mm)/(hm2·h)，其中2006年R值最大，1982年最小，極值比為2.86；而30 a年均降水量變化區(qū)間為1 422.43～2 463.27 mm，極值比為1.73，則年際降雨侵蝕力的變化幅度大于降水量的變化。線性趨勢也可展現(xiàn)出R值的上升幅度更大，土壤侵蝕發(fā)生的潛在概率加大。

圖2　研究區(qū)多年年均降雨量及降雨侵蝕力年際變化

降雨侵蝕力距平數(shù)是指每年的R值與30 a平均R值的差值，距平數(shù)能明顯地表現(xiàn)出年均降雨侵蝕力的異常值及逐年趨勢[16]。由圖3可見，閩東南地區(qū)30 a間的降雨侵蝕力5 a滑動距平呈現(xiàn)略微上升趨勢，傾向率為2.809 (MJ·mm)/(hm2·h)，上升幅度較大，并且R值5 a滑動距平存在間歇性的起伏，起伏的節(jié)點為1989，1994，1999，2003和2005年。近些年起伏周期逐漸縮短，且起伏幅度增大。

圖3　研究區(qū)30 a間降雨侵蝕力的逐年變化

隨機變量的變異系數(shù)(Cv)大小能夠反映出降雨侵蝕力的空間變異性的大小[17]。變異系數(shù)以0.1，1為劃分界限，分為弱變異性、中等變異性和強變異性。閩東南地區(qū)各雨量站多年年降雨侵蝕力變異系數(shù)變化區(qū)間為0.22～0.53，平均變異系數(shù)達(dá)0.33，屬中等變異。變異系數(shù)空間分布大致呈沿海向內(nèi)陸減少的特點，沿海地區(qū)一般為0.35～0.53，降雨侵蝕力年際變化較大；中部地區(qū)為0.30～0.35；西部地區(qū)變化值為0.22～0.26。站點中最大值為惠安縣的崇武站，Cv值為0.53，最小值為閩清站0.22。沿海地區(qū)降水量受臺風(fēng)影響多為暴雨，年際變化相對較大。因此，若以降雨侵蝕力作為預(yù)測一個地區(qū)水土流失情況的參數(shù)時，要取其多年平均值，否則預(yù)測結(jié)果難以解釋整體變化趨勢。

3.1.3Mann—Kendall突變性分析閩東南地區(qū)降雨侵蝕力突變分析采用Mann—Kendall法檢驗，正向序列曲線UF的變化趨勢表明降雨侵蝕力的變化狀況。UF大于0呈上升趨勢，小于0呈下降趨勢。當(dāng)UF值超過臨界線時，則上升或下降的趨勢顯著。如果UF，UB出現(xiàn)交點，并且在臨界值之間，則此交點表明突變時刻開始[18]。

閩東南地區(qū)30 a降雨侵蝕力突變分析的置信區(qū)間為±1.96(0.05的顯著水平)。圖4顯示，UF值兩次超越置信區(qū)間，UB只有一次超越，因此整體上呈現(xiàn)上升趨勢且變化顯著。降雨侵蝕力大約在1986年出現(xiàn)突變，此后降雨侵蝕力大幅度增加。兩條曲線只有兩個相交點，為1984和1986年，且距離接近，則閩東南地區(qū)30 a間降雨侵蝕力未出現(xiàn)明顯的突變。

圖4　研究區(qū)降雨侵蝕力Mann-Kendall突變檢驗曲線

3.2　降雨侵蝕力空間分布特征

運用ArcGIS 9.3軟件的空間分析模塊的徑向基數(shù)插值功能對年均降雨侵蝕力的空間變化情況進行內(nèi)插，獲得閩東南地區(qū)的年均降雨侵蝕力變化趨勢空間分布圖(圖5)。

圖5　研究區(qū)年均降雨侵蝕力空間分布

由圖5可知，閩東南地區(qū)的降雨侵蝕力整體上呈現(xiàn)由沿海向內(nèi)陸增加的趨勢，西南部高于東北部。研究區(qū)內(nèi)南部和中部地區(qū)分別出現(xiàn)兩個極值中心，分別為漳州市的上河站607.19 (MJ·mm)/(hm2·h)和廈門市北部的汀溪水庫站527.26 (MJ·mm)/(hm2·h)，最低值是福州市的梅花站218.62 (MJ·mm)/(hm2·h)。南部地區(qū)多受臺風(fēng)帶來的暴雨影響，并且上河站和汀溪水庫站均分布于山地的迎風(fēng)坡，侵蝕性降雨量大。福州位于閩江口地區(qū)，地勢中間低，兩側(cè)高，呈現(xiàn)谷地形態(tài)，并且隨著臺風(fēng)勢力的減弱，降雨侵蝕力出現(xiàn)深入內(nèi)陸的低值狀態(tài)。

閩東南地區(qū)的年均降雨侵蝕力在各個經(jīng)濟發(fā)展中心，如福州，廈門等地區(qū)的值呈現(xiàn)相對低值，這極為有利于經(jīng)濟的發(fā)展。但作為經(jīng)濟腹地的中西部地區(qū)，地勢相對較高，且處于夏季風(fēng)的迎風(fēng)坡，多暴雨，短時降雨強度大，沖刷力強，現(xiàn)有植被一旦破壞，水土流失將會對下游地區(qū)產(chǎn)生極大危害，因此應(yīng)加強對中西部的水土流失的整治力度。

4結(jié) 論

(1) 閩東南地區(qū)年內(nèi)降雨侵蝕力主要集中于5—8月。這4個月占全年降雨侵蝕力的66.16%。月均降雨量和降雨侵蝕力的月變化均呈現(xiàn)雙峰式分布，8月最高，6月次之。其他月降雨侵蝕力則分別從峰值向兩側(cè)遞減，呈現(xiàn)M型分布。

(2) 閩東南地區(qū)30 a間的降雨侵蝕力與降雨量的變化趨勢基本一致，降雨侵蝕力的變化范圍為253.82～725.39 (MJ·mm)/(hm2·h)，變化幅度較大。5 a滑動距平變化研究區(qū)內(nèi)的降雨侵蝕力存在間歇性的起伏，但總體上呈上升走勢。但是30 a間降雨侵蝕力未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。研究區(qū)各雨量站1980—2009年降雨侵蝕力變異系數(shù)0.22

(3) 閩東南地區(qū)的降雨侵蝕力整體上呈現(xiàn)由沿海向內(nèi)陸增加的趨勢，西南部地區(qū)高于東北部地區(qū)，并且南部和中部地區(qū)分別出現(xiàn)兩個極值中心。最高值位于漳州市的上河站〔607.19 (MJ·mm)/(hm2·h)〕，最低值是福州市的梅花站〔218.62 (MJ·mm)/(hm2·h)〕。

近30 a來，整個研究區(qū)域內(nèi)的降雨侵蝕力呈現(xiàn)增加的趨勢，年際變化幅度加大，并且年內(nèi)R值和降雨量的分布都呈現(xiàn)出雙峰式分布。8月的降雨量明顯增多，可見，夏末秋初的臺風(fēng)也是引起水土流失的重要因素。

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Temporal and Spatial Characteristics of Rainfall Erosivity in Southeast Fujian Province During 1980-2009

CUI Xiaoyan, ZHA Xuan, HUANG Shaoyan

(KeyLaboratoryofSubtropicalResourcesandEnvironment,Collegeof

GeographyScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China)

Abstract：[Objective] Studying the distribution pattern of rainfall erosivity in the southeastern area of Fujian Province to privide basis for soil erosion control and soil and water conservation plan.[Methods] Based on the data from 26 rainfall station in the Southeastern Fujian Province during 1980—2009, simple algorithm for rainfall erosivity was used.[Results] Rainfall erosivity in Southeastern Fujian Province showed a bimodal distribution as it occoured mainly from May to August. Rainfall erosivity varied greatly over years. The highest value was 725.39 (MJ·mm) / (hm2·h) occurred in 2006, while the lowest value was 253.82 (MJ·mm) / (hm2·h) occurred in 1982, with the extreme ratio of 2.86. Rainfall erosivity in Southeast Fujian Province during the past 30 years did not showed abrupt changes. [Conclusion] Rainfall erosivity showed an uneven distribution pattern with increasing trend from coast to inland, and the value was comparatively higher in southwest than that in northeast.

Keywords:Southeastern Fujian Province; rainfall erosivity; Mann-Kendall test; variable coefficient

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0001-04

中圖分類號：S157.1

通信作者：查軒(1961—),男(漢族),陜西省咸陽市人,博士，研究員,博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)等方面的研究。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn。

收稿日期：2014-06-07修回日期：2014-07-16

資助項目：國家科技支撐計劃項目“強度侵蝕區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)的研究與集成”(2014BAD15B02); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“南方紅壤區(qū)水土流失綜合治理范式及調(diào)控機理研究”(2007CB407207)

第一作者：崔曉燕(1989—),女(漢族),山東省菏澤市人,碩士研究生，研究方向為土壤侵蝕和水土保持。E-mail:yanzi1989518@126.com。

試驗研究