黑龍江省降雨侵蝕力空間分布研究

李 巍，張文超，毛學(xué)剛，趙 林，曲 芳，胡天然，孫 銘，王曉杰，黃輝玲

(1.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150022;2.哈爾濱綠色巨農(nóng)牧業(yè)有限公司，黑龍江哈爾濱 150431;3.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001;4.黑龍江省水土保持研究所，黑龍江哈爾濱 150078)

降雨侵蝕力是由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)由降雨所引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)［1］。精確估算降雨侵蝕力的方法是根據(jù)擬定的降雨侵蝕力指標(biāo)、計(jì)算一定時(shí)期內(nèi)全部降雨的侵蝕力［2］。但現(xiàn)實(shí)中由于很難獲得所必須的次降雨過(guò)程資料，因此一般建立降雨侵蝕力簡(jiǎn)易算法，即利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料如日雨量、月雨量、年雨量、其他雨量參數(shù)來(lái)估算侵蝕力［3］。Roose于1975年建立的魯斯法，該方法能對(duì)單獨(dú)一年或多年平均的降雨侵蝕力R值進(jìn)行估算，Wischmeier等［4］在1959年明確提出了降雨侵蝕指數(shù)的概念——降雨侵蝕力指標(biāo)EI30，并成功應(yīng)用于USLE以及RUSLE模型。筆者在此利用黑龍江省32個(gè)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站2000～2010年間的逐日雨量資料，采用月雨量模型估算降雨侵蝕力，通過(guò)對(duì)近11年來(lái)黑龍江省降雨侵蝕力的研究，揭示黑龍江省降雨侵蝕力的空間分布特征、年際變化特征和變化趨勢(shì)，以期為黑龍江省水土保持研究和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源 逐日雨量是目前我國(guó)公開發(fā)布的氣象站最詳細(xì)雨量整編資料。鑒于次降雨過(guò)程資料很難得到，同時(shí)盡可能精確地估算降雨侵蝕力，在此利用黑龍江省32個(gè)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站(包括大興安嶺)2000～2010年間的逐日雨量、經(jīng)度、緯度和海拔高程數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)。降雨量數(shù)據(jù)和站點(diǎn)資料來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.2 侵蝕性降雨的標(biāo)準(zhǔn) 不是所有的降雨都是侵蝕性降雨，只有一部分產(chǎn)生地表徑流的降雨會(huì)引起土壤侵蝕稱為侵蝕性降雨。侵蝕性降雨的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)日雨量≥12 mm。

1.3 降雨侵蝕力的計(jì)算 黑龍江省2000～2010年的年降雨量均在340～610 mm的區(qū)間波動(dòng)，不存在干旱和洪澇年，綜合考慮研究區(qū)的降雨情況，在此采用Wischmeier等［5］在1978年建立的基于月雨量的降雨侵蝕力R值算法。Wischmeier的R值算法簡(jiǎn)單易用，只要收集到月降雨數(shù)據(jù)Pi(mm)和年降雨 P (mm)數(shù)據(jù)即可，其表達(dá)式為［5］:R=10［1.5lg(P2i/P)－0.8188］。式中 R 的單位為(MJ·mm)/(hm2·h·a)。此公式中不包括春季由于積雪融化形成的侵蝕。

1.4 降雨侵蝕力的空間插值 在基于GIS技術(shù)應(yīng)用這些不同的插值方法和模型進(jìn)行空間插值時(shí)，選用方法和模型不同，插值的結(jié)果往往會(huì)有較大的差異。在此利用ArcGIS地理信息分析軟件，采用普通Kriging內(nèi)插方法，分析黑龍江省侵蝕性降雨和降雨侵蝕力的空間分布，比較降雨侵蝕力和降雨量的關(guān)系。由于降雨屬于非連續(xù)變量，其發(fā)生受偶然因素影響，月降雨量資料是對(duì)一段時(shí)間若干個(gè)降雨過(guò)程的反映，因此用月降雨量模型計(jì)算降雨侵蝕力會(huì)有一定誤差，且該區(qū)域的氣象站點(diǎn)分布不均，對(duì)插值精度造成一定的影響，但插值結(jié)果能夠很好地反映降雨侵蝕力的空間分布特征，能夠支持完成降雨侵蝕力的空間分布研究［6］。

2 黑龍江省降雨侵蝕力空間分布

2.1 侵蝕性降雨空間分布 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省32個(gè)氣象站日降雨量達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的降雨時(shí)間為8～15 d/a，其中泰來(lái)最低，為8 d/a，其次是漠河和齊齊哈爾，為9 d/a;虎林最高，為15 d/a。黑龍江省各站點(diǎn)達(dá)到侵蝕標(biāo)準(zhǔn)降雨日的年均降雨總量為206～391 mm，從圖1可以看出，空間上達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的降雨時(shí)間呈現(xiàn)中南部較高、西北部較低的特點(diǎn)，但在一些地區(qū)還是存在明顯差別。如安達(dá)、富錦、塔河達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的降雨時(shí)間相同，但達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的年降雨量安達(dá)比富錦高將近10%，富錦比塔河高將近10%，同樣明水、依蘭、新林也具有這樣的特點(diǎn)。

圖1 黑龍江省各站點(diǎn)達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)降雨日的年均降雨總量空間分布(單位:mm)

在比較各站點(diǎn)達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)雨日的年均降雨強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)，黑龍江省全年降雨量最低的地區(qū)位于黑龍江省西部，尤其是西南部地區(qū)，如齊齊哈爾、泰來(lái)、安達(dá)、富裕等地是全省較為干旱地區(qū)。對(duì)比而言，該地區(qū)在侵蝕性降雨區(qū)域中屬于年降雨強(qiáng)度較高地區(qū)，但年降雨總量不高，侵蝕性降雨分布相對(duì)集中。從空間上說(shuō)，達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)雨日的年平均降雨強(qiáng)度西南部最高、西北部最低。在黑龍江省日降雨量＞12 mm的降雨屬于強(qiáng)降雨。根據(jù)Groisman等［7］對(duì)于全球主要地區(qū)降雨特征分析，一個(gè)地區(qū)年降雨量主要由這個(gè)地區(qū)降雨強(qiáng)度相對(duì)比較高的降雨日決定，年降雨量的變化也主要由降雨強(qiáng)度比較高的降雨日數(shù)量的變化決定。對(duì)于我國(guó)近幾十年降雨特征分析，顯示出同樣規(guī)律，日降雨量＜1 mm占年降雨時(shí)間的1/2以上，而1年中日降雨量最高的10次降雨約占年降雨量50%以上。黑龍江省降雨特征同樣符合全國(guó)降雨特征規(guī)律。由黑龍江省32個(gè)站點(diǎn)多年平均侵蝕性降雨量與年均降雨量的散點(diǎn)圖(圖2)可以看出，黑龍江省年均侵蝕性降雨量與年均降雨量的線性相關(guān)關(guān)系十分顯著，相關(guān)系數(shù)r=0.83。

圖2 各站點(diǎn)年均侵蝕性降雨和年均降雨量的散點(diǎn)圖

2.2 降雨侵蝕力空間分布 從圖3可以看出，黑龍江省年均降雨侵蝕力表現(xiàn)出中部較高、東部和西北部低于中部的特征，且呈現(xiàn)出以明水為中心向西北、東南緩慢遞減的環(huán)狀空間分布格局。降雨侵蝕力的分布趨勢(shì)大致與降雨量(圖4)類似;但由于降雨侵蝕力同時(shí)受降雨量和降雨強(qiáng)度的影響，降雨侵蝕力和降雨量的年際變化趨勢(shì)和程度并不完全一致。

圖3 黑龍江省多年平均降雨侵蝕力空間分布［單位:(MJ·mm)/(hm2·h·a)］

圖4 黑龍江省多年平均降雨量分布(單位:mm)

從表1可以看出，黑龍江省32個(gè)氣象站多年平均總降雨侵蝕力 R 值為103.22 ～295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，其中，寶清 R 值最小，為103.22(MJ·mm)/(hm2·h·a)，明水R 值最大，達(dá)295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，最大值與最小值之間相差近3倍。結(jié)合圖3，黑龍江省降雨侵蝕力的最高值出現(xiàn)在西南部的松嫩平原地區(qū)。松嫩平原地面受流水切割，出現(xiàn)緩崗淺谷的波狀起伏。在松花江與嫩江匯流的地帶，由于地勢(shì)低洼、水流不暢以及氣候方面的原因，形成了面積較廣的沼澤和濕地［8］。松嫩平原是我國(guó)重要商品糧生產(chǎn)地區(qū)之一，也是水土流失比較嚴(yán)重的地區(qū)，降雨侵蝕力反映了降雨因素對(duì)土壤侵蝕的潛在作用。黑龍江省降雨侵蝕力比較高的地區(qū)與土壤侵蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)分布大體一致，但形成土壤侵蝕還受土壤、地形、植被等因素的影響，因此，土壤流失量的空間分布與降雨侵蝕力的空間分布并不一致。

表1 黑龍江省各站點(diǎn)降雨侵蝕力R值(MJ·mm)/(hm2·h·a)

2.3 降雨侵蝕力年內(nèi)分布 降雨侵蝕力與地表植被覆蓋的季節(jié)變化配合情況，會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生巨大影響，因此需要了解侵蝕力的年內(nèi)季節(jié)分布［5］。計(jì)算各站點(diǎn)各月的平均降雨侵蝕力值在年內(nèi)的分布狀況，并以此為基礎(chǔ)繪制各站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力的年內(nèi)分配曲線［9］。黑龍江省各站點(diǎn)年內(nèi)降雨侵蝕力R值在1～2月份基本為0，3～4月份開始逐步上升，大致在7月份達(dá)到最高值，從8月份開始降雨侵蝕力開始逐步下降，到11～12月份降雨侵蝕力又趨向于0，R值主要集中在6～9月份。

圖5顯示，各站點(diǎn)6～9月份的降雨侵蝕力占全年的81%～98%，其中西部比東部略高。由此可見(jiàn)黑龍江省降雨侵蝕力集中度很高，大部分站點(diǎn)6～9月份降雨侵蝕力占全年的90%以上［8］。這種現(xiàn)象與黑龍江省降水特征有關(guān)，黑龍江省的降水表現(xiàn)出明顯的季風(fēng)性特征。夏季受東南季風(fēng)的影響，是全年降雨比較集中的季節(jié)，且降雨強(qiáng)度較大，季風(fēng)帶來(lái)的降雨占全年降雨量的65%左右，冬季在干冷西北風(fēng)控制下，降雨較少，降雨強(qiáng)度也比較低，其中1月份最少，7月份最多，因此黑龍江省降雨侵蝕力集中度很高。由于6～9月份是黑龍江省農(nóng)作物的主要生長(zhǎng)季節(jié)，且降雨侵蝕力比較高的地區(qū)位于主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，降雨侵蝕帶來(lái)的水土流失會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，因此需要研究如何減少由于降雨形成的土壤侵蝕對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生的不利影響。

3 結(jié)論

圖5 各站點(diǎn)6～9月份降雨侵蝕力占年均侵蝕力的百分比

通過(guò)收集黑龍江省32個(gè)氣象站點(diǎn)資料(包括大興安嶺)及各站點(diǎn)2000～2010年的日降雨量資料，分析處理降雨量數(shù)據(jù)，研究降雨侵蝕力的內(nèi)涵及計(jì)算模型;采用月雨量模型估算降雨侵蝕力，運(yùn)用ArcGIS軟件，分析黑龍江省侵蝕性降雨和降雨侵蝕力的空間分布特征，得出以下結(jié)論:

黑龍江省32個(gè)氣象站日降雨量達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)(≥12 mm/d)的降雨時(shí)間為8～15 d/a;空間上達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的降雨時(shí)間中南部較高、西北部較低。各站點(diǎn)日降雨量達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)的年平均降雨總量為206～391 mm，空間分布與侵蝕性降雨時(shí)間類似;32個(gè)站點(diǎn)多年平均侵蝕性降雨量與年均降雨量線性相關(guān)關(guān)系十分顯著。

黑龍江省年均降雨侵蝕力R值表現(xiàn)出從西北到西南部逐漸升高、東部低于中部的特征，且呈現(xiàn)出以明水為中心向西北、東南緩慢遞減的環(huán)狀空間分布格局。轄區(qū)內(nèi)32個(gè)氣象站點(diǎn)年均降雨侵蝕力 R值為 103.22～295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，最大值與最小值之間相差近3倍。降雨侵蝕力的最高值出現(xiàn)在黑龍江省西南部松嫩平原地區(qū)，年降雨侵蝕力空間分布基本與年降雨量空間分布相似，但由于降雨侵蝕力同時(shí)受降雨量和降雨強(qiáng)度的影響，降雨侵蝕力和降雨量的年際變化趨勢(shì)和程度并不完全一致。

黑龍江省各站點(diǎn)年內(nèi)降雨侵蝕力R值在1～2月份基本為0，3～4月份開始逐步上升，大致在7月份達(dá)到最高值，從8月份開始降雨侵蝕力開始逐步下降，到11～12月份降雨侵蝕力又趨向于0，R值主要集中在6～9月份，各站點(diǎn)6～9月份的降雨侵蝕力占全年的81%～98%，全年降雨侵蝕力集中度很高。

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