沂河流域1961-2010年降雨侵蝕力時(shí)空分布特征

李子君, 林錦闊, 姜愛(ài)霞, 張 晨

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250014)

沂河流域1961-2010年降雨侵蝕力時(shí)空分布特征

李子君, 林錦闊, 姜愛(ài)霞, 張 晨

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250014)

[目的] 分析沂河流域近50 a的降雨量和降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征,為流域水土流失防治及土地利用合理規(guī)劃等工作提供參考。[方法] 利用沂河流域及周邊12個(gè)氣象站1961—2010年的日降雨數(shù)據(jù),基于日降雨信息的月降雨侵蝕力模型計(jì)算流域多年平均降雨侵蝕力,采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法及析取Kriging內(nèi)插法分析流域降雨量和降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征。[結(jié)果] 沂河流域降雨量和降雨侵蝕力空間分布上呈現(xiàn)出由西南向北逐級(jí)遞減的變化趨勢(shì)。多年平均降雨量為789.41 mm,多年平均降雨侵蝕力為2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a),兩者都在1965年產(chǎn)生突變;降雨量和降雨侵蝕力年內(nèi)分布主要集中在夏季(6—8月),分別占全年比例的63.02%和71.22%,二者最大值都出現(xiàn)在7月,且秋季對(duì)流域多年降雨量的減少趨勢(shì)貢獻(xiàn)最多,夏季的降雨侵蝕力上升幅度最大。[結(jié)論] 沂河流域的降雨量和降雨侵蝕力空間分布趨勢(shì)相似,不同月份的降雨量與降雨侵蝕力差異不同。

沂河流域; 降雨侵蝕力; 日降雨量; 時(shí)空分布

文獻(xiàn)參數(shù)： 李子君, 林錦闊, 姜愛(ài)霞, 等.沂河流域1961—2010年降雨侵蝕力時(shí)空分布特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：86-92.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.015； Li Zijun, Lin Jinkuo, Jiang Aixia, et al. Spatio-temporal variations characteristics of rainfall erosivity during 1961—2010 in Yihe Basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：86-92.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.015

降水是引起土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩豙1]。降雨侵蝕力(R)作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，不僅被用來(lái)表征降雨對(duì)土壤侵蝕潛在能力的大小，而且是反映水土流失對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的最佳參數(shù)，成為許多土壤侵蝕模型(如USLE，RUSLE，AGNPS，CREAMS，EPIC等)的主要參數(shù)之一[2]。在相同地表?xiàng)l件下的水蝕區(qū)，同一地區(qū)不同年份，或同一年份不同地區(qū)的侵蝕呈現(xiàn)差異，皆源于降雨侵蝕力的不同[3]。因此，研究區(qū)域降雨侵蝕力差異，特別是以流域?yàn)閱卧慕涤昵治g力(R)值的準(zhǔn)確計(jì)算以及時(shí)空分布特征，可以更好的揭示氣候變化與土壤侵蝕的響應(yīng)關(guān)系，為流域水土保持工作提供參考。1958年Wischmeier等[4]首次提出了運(yùn)用次降雨總動(dòng)能E與30 min最大雨強(qiáng)I30的乘積EI30，計(jì)算降雨侵蝕力的經(jīng)典算法。但由于長(zhǎng)序列的降雨資料不易獲取，導(dǎo)致經(jīng)典算法的使用限制較多，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)降雨侵蝕力的新算法及基于年、月和日尺度的簡(jiǎn)易方程進(jìn)行了深入分析[1,5-6]。由于日降雨量的資料較易獲取且相比年、月數(shù)據(jù)的降雨侵蝕力估算結(jié)果更為精確，因此多用于分析降雨侵蝕力的空間分布和時(shí)間變化特征[7]。已有諸多研究表明，降雨侵蝕力年際波動(dòng)顯著，年內(nèi)分配不均且主要集中于汛期[8]，具有明顯的空間異質(zhì)性[9]且與降雨量空間分布趨勢(shì)基本一致[10]。

沂河流域?qū)儆诒狈酵潦絽^(qū)，是魯中南低山丘陵區(qū)的一部分，是淮河流域的暴雨中心，也是山東省乃至淮河流域水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域[11]。流域土壤表層疏松，土壤涵水能力低，嚴(yán)重的土壤侵蝕狀況影響了區(qū)域的生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。以往的研究中有學(xué)者指出，魯中南地區(qū)年降雨侵蝕力具有上升趨勢(shì)，此區(qū)域不僅包含省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)為魯中南低山丘陵區(qū)，還有國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)為沂蒙山區(qū)，因此，加強(qiáng)魯中南地區(qū)的降雨侵蝕力的變化預(yù)測(cè)和趨勢(shì)研究，有助于減少山東省水土流失防治的不確定性和成本[12]。本文擬基于沂河流域內(nèi)部及周邊區(qū)域12個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2010年共50 a的日降雨量資料，分析流域降雨量和降雨侵蝕力的空間分布及年際、年內(nèi)變化特征，以期更好地了解流域降雨的潛在侵蝕差異，為流域水土流失防治及土地利用合理規(guī)劃等工作提供參考，同時(shí)為沂蒙山區(qū)生態(tài)安全屏障建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沂河發(fā)源于山東省沂源縣魯山南麓，流經(jīng)魯中南和蘇北的13個(gè)縣(市)，在江蘇新沂駐入駱馬湖，全長(zhǎng)超過(guò)500 km，流域面積17 325 km2，屬淮河流域。本研究中的沂河流域指沂河流域臨沂站以上的部分，流域面積10 034 km2，地理位置位于117°25′—119°49′E，33°30′—36°20′N(xiāo)。沂河流域在地貌上屬構(gòu)造剝蝕堆積平原區(qū)地貌，由于地殼運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期風(fēng)雨的侵蝕等外力作用，造成流域地表斷裂縱橫、山巒起伏、嶺谷相間的地貌景觀。流域氣候類(lèi)型屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，受大陸氣團(tuán)和海洋性氣團(tuán)交替影響，具有光照充足、四季分明、夏季炎熱、冬季寒冷的特點(diǎn)。多年平均氣溫為13.05～14.3 ℃，南北相差較大。流域降水在年內(nèi)分布極不均勻，多集中于夏秋季節(jié)。整個(gè)流域水系呈極不對(duì)稱(chēng)的扁長(zhǎng)半樹(shù)葉形，較大的一級(jí)支流多從右岸匯入，主要有東汶河、蒙河、祊河。流域土壤類(lèi)型主要有粗骨土、褐土、棕壤、紅黏土、潮土等。植被類(lèi)型主要有兩種：樹(shù)林植被和草甸植被。樹(shù)林植被以油松為代表，一般分布在海拔800 m以上的山腰和其他土壤瘠薄的山脊山坡上，此外還有加拿大楊、二楊、多種歐美楊、旱柳等樹(shù)種。灌草叢以黃荊、酸棗、胡枝子、黃草、白草、結(jié)縷草為主。由于長(zhǎng)期的人為活動(dòng)，平地和低矮的丘陵大都開(kāi)為農(nóng)田，農(nóng)作物、多種果樹(shù)等栽培植物。流域以水力侵蝕為主，2010年侵蝕面積(輕度及以上土壤侵蝕面積)為4 252.97 km2，占流域總面積的42.42%。侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域大都位于河流中上游地區(qū)，主要發(fā)生在海拔600 m以下區(qū)域，其中高程位于200—400 m的區(qū)域侵蝕面積最大。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文采用1961-2010年50 a間沂河流域內(nèi)及周邊均勻分布的12個(gè)站點(diǎn)的連續(xù)24 h降水量，站點(diǎn)分布均勻，符合區(qū)域降水空間分布特征的分析要求，數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)和山東省氣象局。臨沂站、莒縣站和沂源站為國(guó)家級(jí)臺(tái)站，其他氣象站為省級(jí)臺(tái)站。但是有些站實(shí)測(cè)降水資料系列相對(duì)較短或缺少記錄(表1)。為了使流域內(nèi)的降水量在不同時(shí)段中具有同一比較基礎(chǔ)，以減少或消除因雨量站代表性欠佳而帶來(lái)的偏差，必須利用相關(guān)性較好的雨量站的長(zhǎng)資料系列值進(jìn)行插補(bǔ)、展延。

利用SPSS軟件對(duì)沂河流域12個(gè)氣象站降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后，選取相關(guān)系數(shù)高且具有相對(duì)完整降水資料的站，與需要插補(bǔ)降水資料的站建立線性回歸方程(表2)。經(jīng)檢驗(yàn)，所選插補(bǔ)站降水量與需插補(bǔ)站降水量之間的顯著性概率為0.000，小于0.001，說(shuō)明所建線性回歸模型回歸效果極為顯著。

表1 沂河流域氣象站已有數(shù)據(jù)

表2 沂河流域氣象站插補(bǔ)、延展情況

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力的計(jì)算 降雨侵蝕力的計(jì)算方法可以分為標(biāo)準(zhǔn)法和模型法。標(biāo)準(zhǔn)法采用次降雨中的最大30 min 降雨強(qiáng)度I30和降雨動(dòng)能E的乘積EI30來(lái)計(jì)算，但需要詳細(xì)的降雨過(guò)程資料，難以實(shí)現(xiàn)。而縱觀各種模型法，雖計(jì)算方法簡(jiǎn)單，但大都未明顯包含雨強(qiáng)的概念，這與降雨侵蝕力提出的初衷相違背[13]，影響了計(jì)算的精度。

本文采用楊軒等人基于日降雨量計(jì)算月降雨侵蝕力的復(fù)合因子模型[14]，此模型通過(guò)侵蝕性雨量(Pmer)與侵蝕性降雨日數(shù)(Dmer)之比，很好地將降雨強(qiáng)度反映在模型當(dāng)中，提高了降雨侵蝕力模型的估算精度，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Rm——月降雨侵蝕力〔(J·mm)/(m2·h)〕；Pm——月降雨量(mm)；Pmer——月侵蝕性雨量(mm)，即某月內(nèi)日降雨量≥12 mm[2]的降雨量總和；Dmer——某月日降雨量≥12 mm的降雨天數(shù)；Dm——某月內(nèi)日降雨量≥0.6 mm的月降雨天數(shù)；Zm——某月內(nèi)降雨量最大的1日日降雨量(mm)；Z3 m——某月日降雨量≥12 mm時(shí)，該月內(nèi)降雨量最大的3日日降雨量之和(mm)；Pdmax——某月內(nèi)最大日降雨量(mm)。若要計(jì)算年降雨侵蝕力，則分別計(jì)算一年內(nèi)12個(gè)月份的降雨侵蝕力后累加即可，即：

(2)

式中：i——一年內(nèi)的第i月，i=1，2，…，12；Ra——年降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h)〕。

2.2.2 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和突變檢驗(yàn)法 用于檢驗(yàn)時(shí)間序列變化的統(tǒng)計(jì)方法很多，其中非參數(shù)檢驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[15]，被世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用于分析降水、徑流、氣溫、水質(zhì)等方面，故文中通過(guò)計(jì)算運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)沂河流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變分析。

假定X1，X2，…Xn為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，M-K法定義了統(tǒng)計(jì)量S：

(3)

式中：xj，xk——第j年和第k年的相應(yīng)測(cè)量值，且k>j。

(4)

式中：Z——正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，方差Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18。在給定的α置信水平上，如果│Z│≥Z1-a/2，則拒絕原假設(shè)，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)，Z為正值表示增加趨勢(shì)，為負(fù)值表示減少趨勢(shì)。取顯著性水平α=0.05水平下，對(duì)應(yīng)Z的絕對(duì)值為1.96。其變化趨勢(shì)的大小用β表示：

(5)

若β>0，表示呈上升趨勢(shì)；若β<0，表示呈下降趨勢(shì)[16]。

突變分析主要是檢驗(yàn)時(shí)間序列的不連續(xù)性。設(shè)降雨侵蝕力序列為x1，x2，…，xn，Sk表示第i個(gè)樣本的xi>xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

(j=1,2,…,i;k=1,2,…,n)

(6)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定情況下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4，

var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72 (1≤k≤n)

(7)

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(8)

其中UF1=0。給定顯著性水平α，若│UFk│>Ua則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。所有UFk可組成一條曲線。按時(shí)間序列逆序Xn，Xn-1，…，X1重復(fù)上述公式(7)—(9)過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，其中UB1=0。若UBk和UFk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0表明序列呈下降趨勢(shì)，當(dāng)他們超過(guò)臨界線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是降雨侵蝕力突變開(kāi)始的年份。根據(jù)上述方法，確定降雨量和降雨侵蝕力突變開(kāi)始的年份[17]。

2.2.3 滑動(dòng)T檢驗(yàn) 滑動(dòng)T檢驗(yàn)是通過(guò)考察2組樣本平均值的差異是否顯著來(lái)檢驗(yàn)突變。其基本思想是把一氣候序列中的2段子序列均值有無(wú)顯著性差異看做來(lái)自2個(gè)總體均值有無(wú)顯著性差異的問(wèn)題來(lái)檢驗(yàn)。如果兩段子序列的均值差異超過(guò)了一定顯著性水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了突變。但子序列時(shí)段選擇帶有人為性，為避免任意選擇子序列長(zhǎng)度造成突變點(diǎn)的漂移，具體使用時(shí)，可反復(fù)變動(dòng)子序列長(zhǎng)度進(jìn)行比較，以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。

(9)

方程(9)遵從自由度v=n1+n2-2的t分布[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量和降雨侵蝕力空間分布

由公式(1)和(2) 計(jì)算出流域各月降雨侵蝕力，經(jīng)累加得出年降雨侵蝕力后，計(jì)算出各氣象站多年平均降雨侵蝕力。由于不同插值方法反映整體趨勢(shì)與局部分布格局有所差異，而基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的析取Kriging內(nèi)插法對(duì)區(qū)域降雨侵蝕力空間插值，可以突出地反映降雨侵蝕力的局部信息，在細(xì)節(jié)上的表現(xiàn)更為靈敏[18]。因此本文利用ArcGIS10.2地統(tǒng)計(jì)學(xué)拓展模塊將各離散測(cè)站的多年平均降雨量和多年平均降雨侵蝕力進(jìn)行析取Kriging插值分析，進(jìn)而得到流域多年平均降雨量等值線和多年平均降雨侵蝕力的空間分布(圖1)。

圖1 沂河流域降雨量與降雨侵蝕力空間分布

由圖1可知，沂河流域多年平均降雨量范圍為710.11～986.38mm，平均值為789.41mm，降雨侵蝕力范圍為2 093.70～3 220.27(MJ·mm)/(hm2·h·a)，平均值為2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a)，其中費(fèi)縣和平邑縣南部的區(qū)域?yàn)榻涤昵治g力的高值區(qū)，達(dá)到2 800(MJ·mm)/(hm2·h·a)以上，而降雨量的高值區(qū)位于平邑縣；流域降雨量和降雨侵蝕力的低值區(qū)位于沂源縣北部區(qū)域，降雨侵蝕力小于2 200(MJ·mm)/(hm2·h·a)?？傮w來(lái)看，沂河流域的降雨量和降雨侵蝕力空間分布趨勢(shì)相似，都呈現(xiàn)出由西南向北逐級(jí)遞減的變化規(guī)律。以往并未有學(xué)者對(duì)該流域的降雨侵蝕力進(jìn)行分析，但有學(xué)者對(duì)整個(gè)沂蒙山區(qū)的降雨侵蝕力研究顯示[10]，沂蒙山區(qū)的降雨侵蝕力從空間分布上呈現(xiàn)從南向西北、東北2個(gè)方向遞減的趨勢(shì)，這與本研究結(jié)論基本一致(圖1)。

思雨在想怎樣把這兩天發(fā)生的長(zhǎng)發(fā)絲風(fēng)波說(shuō)明白，能讓小姨子理解自己，搬動(dòng)小姨子這個(gè)救兵，幫自己解決這個(gè)難題。

將12個(gè)氣象站點(diǎn)多年平均降雨量、多年平均侵蝕性降雨量和多年平均降雨侵蝕力繪制成圖2。

圖2 沂河流域各氣象站點(diǎn)的年均降雨量、 年均侵蝕性降雨量和年均降雨侵蝕力

由圖2可知，沂河流域12個(gè)點(diǎn)站中年均降雨侵蝕力與年均降雨量、年均侵蝕性降雨量具有一定的協(xié)同性。流域最高降雨侵蝕力出現(xiàn)在棗莊站，最低降雨侵蝕力出現(xiàn)在沂源站。其中平邑站雖然具有最高的年均降雨量，但是由于其年均侵蝕性降雨量較低，因此降雨侵蝕力反而不高。通過(guò)線性回歸法構(gòu)建流域各氣象站多年平均降雨侵蝕力與降雨量的相關(guān)關(guān)系，可以得出年均降雨侵蝕力與年均侵蝕性降雨量的相關(guān)系數(shù)R=0.899(p<0.01)明顯高于年均降雨量的相關(guān)系數(shù)R=0.874(p<0.01)。由此看來(lái)，沂河流域的降雨侵蝕力受侵蝕性降雨量的影響更大。

3.2 降雨量和降雨侵蝕力的年際變化

從沂河流域降雨量和降雨侵蝕力年際變化趨勢(shì)來(lái)看(圖3)，降雨量的變化趨勢(shì)略有下降，而降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)。其中降雨量的最小值出現(xiàn)在2002年，只有471.16mm，最大值出現(xiàn)在1964年，達(dá)到1 183.58mm。降雨侵蝕力的最小值出現(xiàn)在1976年，僅為1 510.85(MJ·mm)/(hm2·h·a)，而2000年以后，流域降雨侵蝕力的波動(dòng)的程度較為劇烈，2003年達(dá)到了研究時(shí)段內(nèi)的最大值，且較常年偏高，為4 674.09(MJ·mm)/(hm2·h·a)，可以看出，逐年降雨侵蝕力的年際差相差較大，最高值為最低值的3.09倍。流域50a來(lái)，降雨侵蝕力與降雨量的變化趨勢(shì)基本一致，但也有部分年份兩者關(guān)系不一致：如2003年雖然沒(méi)有最高的降雨量，但是由于在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨量較高，因此其年降雨侵蝕力的值也是最大，而1964和1974年雖然降雨量和侵蝕性降雨量都很高但是其降雨侵蝕力相對(duì)較低，主要原因是計(jì)算降雨侵蝕力時(shí)，采用了極端降雨量(Zm，Z3m)等新指標(biāo)，導(dǎo)致在降雨量和侵蝕性降雨量相差不大的情況下，Zm，Z3m較大的月份降雨侵蝕力相對(duì)較小。

通過(guò)計(jì)算沂河流域及各氣象站降雨量、降雨侵蝕力的傾斜度β值并進(jìn)行Mann-Kendall波動(dòng)趨勢(shì)檢驗(yàn)(表3)，可以得出與圖3同樣的規(guī)律。自1961—2010年，流域降雨量略有下降，下降幅度僅為-0.91。各氣象站點(diǎn)的降雨量除新泰站、沂源站、鄒城站、泗水站呈上升趨勢(shì)外，其余各站均呈下降趨勢(shì)，其中臨沂站降雨量的下降幅度β值以及Z值最大，但所有氣象站的降雨量變化趨勢(shì)均未超過(guò)0.05的顯著性水平。流域降雨侵蝕力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升幅度為6.45。除臨沂站、莒縣站和蒼山站的降雨侵蝕力呈下降趨勢(shì)外，其余各站均呈上升趨勢(shì)，且沂南站侵蝕力上升幅度最大達(dá)到16.39，但各站的變化趨勢(shì)在0.05顯著性水平上均不顯著。由此說(shuō)明，研究時(shí)段內(nèi)，流域降雨侵蝕力存在一定隨機(jī)波動(dòng)，單個(gè)氣象站降雨量和降雨侵蝕力的變化對(duì)流域整體的氣候變化趨勢(shì)影響并不大。

圖3 1961-2010年沂河流域年降雨量、年降雨侵蝕力變化表3 沂河流域及各氣象站降雨量及降雨侵蝕力趨勢(shì)檢驗(yàn)

氣象站降雨量?jī)A斜度βZ降雨侵蝕力傾斜度βZ 沂河流域-0.91-0.506.450.80新泰站0.610.386.700.70蒙陰站-0.99-0.493.450.43平邑站-1.73-0.847.200.75沂水站-1.66-0.904.390.38沂南站-0.16-0.1316.391.36鄒城站0.030.0312.570.82棗莊站-0.48-0.456.790.65臨沂站-3.18-1.85-8.37-0.90沂源站0.470.227.501.00莒縣站-2.43-1.28-8.45-0.80蒼山站-1.02-0.43-1.15-0.18泗水站0.540.2211.091.19

注：Z為正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量。下同。

為分析沂河流域降雨量、降雨侵蝕力的突變狀況，對(duì)流域降雨量、降雨侵蝕力時(shí)間序列進(jìn)行Mann-Kendall突變分析。

圖4 1961-2010年沂河流域年降雨量突變分析

圖5 1961-2010年沂河流域年降雨侵蝕力突變分析

3.3 降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)變化

沂河流域季節(jié)降雨量以及降雨侵蝕力時(shí)間變化趨勢(shì)結(jié)果顯示(表4)，春、冬季節(jié)降雨量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏、秋季節(jié)降雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。4個(gè)季節(jié)中秋季降雨量的下降趨勢(shì)最大，說(shuō)明秋季對(duì)流域多年降雨量的減少趨勢(shì)貢獻(xiàn)最多。降雨侵蝕力除秋季呈下降趨勢(shì)外，其他季節(jié)均為上升趨勢(shì)，且夏季降雨侵蝕力上升幅度最大，Kendall傾斜度為7.21，但在0.05顯著性水平上并不顯著。冬季降雨侵蝕力上升幅度雖然最少僅為0.15，但其Z值卻最大，達(dá)到1.52。有研究認(rèn)為，在全球氣候變暖的大環(huán)境下，部分冬季降雪會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?，從而?dǎo)致侵蝕力的升高[19]，這與本研究的結(jié)果相吻合。

表4 沂河流域季節(jié)降雨量、降雨侵蝕 力Kendall傾斜度β及趨勢(shì)檢驗(yàn)

分別計(jì)算流域50 a來(lái)各月平均降雨量、各月平均降雨侵蝕力占年均降雨量和年均降雨侵蝕力的百分比，并以此繪制降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)分配圖(圖6)。從圖中可以看出，沂河流域降雨量和降雨侵蝕力年內(nèi)分布規(guī)律基本一致均呈單峰型。降雨量和降雨侵蝕力年內(nèi)分布主要集中在夏季(6—8月)，分別占全年比例的63.02%和71.22%，二者最大值都出現(xiàn)在7月，分別為28.92%和31%。流域6—9月的降雨侵蝕力明顯高于降雨量，而其余月份降雨侵蝕力均低于降雨量。雨滴動(dòng)能的大小直接影響擊濺侵蝕的強(qiáng)度，沂河流域夏季暴雨集中，次降雨的雨強(qiáng)大，雨滴動(dòng)能大，而其他月份次降雨的雨強(qiáng)弱，雨滴動(dòng)能小，因此導(dǎo)致不同月份降雨量與降雨侵蝕力的差異不同。

圖6 1961-2010年沂河流域降雨量 與降雨侵蝕力年內(nèi)分配特征

4 討論與結(jié)論

(1) 沂河流域降雨量和降雨侵蝕力總體呈現(xiàn)出由西南向北逐級(jí)遞減的變化趨勢(shì)，年均降雨量變化范圍為710.11～986.38 mm，平均值為789.41 mm，降雨侵蝕力范圍為2 093.70～3 220.27 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，平均值為2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a)，流域年均降雨侵蝕力受侵蝕性降雨的影響更大。其中降雨侵蝕力的高值區(qū)位于費(fèi)縣和平邑縣南部的區(qū)域，達(dá)到2 800(MJ·mm)/(hm2·h·a)以上，降雨量的高值區(qū)位于平邑縣；流域降雨量和降雨侵蝕力的低值區(qū)位于沂源縣北部區(qū)域，降雨侵蝕力小于2 200(MJ·mm)/(hm2·h·a)。

(2) 50 a來(lái)，降雨量變化趨勢(shì)略有下降，下降幅度為-0.91，最小值出現(xiàn)在2002年，只有471.16 mm，最大值出現(xiàn)在1964年，達(dá)到1 183.58 mm。降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)，上升幅度為6.45，降雨侵蝕力的最小值出現(xiàn)在1976年，僅為1 510.85(MJ·mm)/(hm2·h·a)，2003年達(dá)到了最大值，且較常年偏高，為4 674.09(MJ·mm)/(hm2·h·a)，流域降雨量和降雨侵蝕力都在1965年產(chǎn)生突變。研究時(shí)段內(nèi)，降雨侵蝕力存在一定隨機(jī)波動(dòng)，單個(gè)氣象站降雨量和降雨侵蝕力的顯著變化對(duì)流域整體的氣候變化趨勢(shì)影響并不大。

(3) 流域降雨量和降雨侵蝕力年內(nèi)分布主要集中在夏季(6—8月)，分別占全年比例的63.02%和71.22%，二者最大值都出現(xiàn)在7月，分別為28.92%和31%，且不同月份的降雨量與降雨侵蝕力差異不同。秋季對(duì)流域多年降雨量的減少趨勢(shì)貢獻(xiàn)最多，夏季降雨侵蝕力上升幅度最大，但各季節(jié)的變化趨勢(shì)均不顯著。

(4) 此外劉正佳等[20]同樣采用基于日降雨量計(jì)算月降雨侵蝕力復(fù)合因子模型，對(duì)沂蒙山區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空分布分析得出，流域6—9月的降雨侵蝕力明顯高于降雨量，而其余月份降雨侵蝕力均低于降雨量。本研究與之相比，得出相同規(guī)律，但是本研究計(jì)算沂河流域降雨侵蝕力多年平均值為2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a)，劉正佳等采用相同的計(jì)算方法得到沂蒙山區(qū)多年平均值為1 777.5(MJ·mm)/(hm2·h·a)，而楊紹洋等[10]采用日雨量修正模型得到沂蒙山區(qū)多年平均值為4 133.92(MJ·mm)/(hm2·h·a)。由此可見(jiàn)，計(jì)算方法相同，選取不同的區(qū)域尺度和時(shí)間尺度，或選取的研究區(qū)域相同，但采用不同的計(jì)算公式得到的降雨侵蝕力R值均存在較大差異，因此如何采取統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)更為精確的計(jì)算降雨侵蝕力的大小，在今后的研究中可進(jìn)一步探討。此外，本研究侵蝕性降雨采用的是黃土高原坡面侵蝕的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)(P≥12 mm)[2]，此標(biāo)準(zhǔn)在沂河流域的適用性如何，還需進(jìn)一步考證。

[1] 章文波,付金生.不同類(lèi)型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學(xué),2003,25(1):35-41.

[2] 謝云,劉寶元,章文波.侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(4):6-11.

[3] 卜兆宏,董勤瑞,周伏建,等.降雨侵蝕力因子新算法的初步研究[J].土壤學(xué)報(bào),1992,29(4):408-418.

[4] Wischmeier W H, Smith D D. Rainfall energy and its relation-ship to soil loss[J]. Transactions of American Geophysical Union, 1958,39(3):285-291.

[5] Yu B, Hashim G M, Eusof Z. Estimating the R-factor using limited rainfall data: A case study from Peninsular Malaysia[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2001,56(2):101-105.

[6] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學(xué),2002,22(6):705-711.

[7] 賴(lài)成光,陳曉宏,王兆禮,等.珠江流域1960—2012年降雨侵蝕力時(shí)空變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(8):159-167.

[8] 劉惠英,任洪玉,張長(zhǎng)偉,等.三峽庫(kù)區(qū)香溪河流域降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2015,13(3):1-7.

[9] 范建容,嚴(yán)冬,郭祥.GIS支持下的長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力時(shí)空分布特征分析[J].水土保持研究,2010,17(1):92-96.

[10] 楊韶洋,劉霞,姚孝友,等.沂蒙山區(qū)降雨侵蝕力空間分布推算方法[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2015,13(2):1-10.

[11] 趙善倫,尹民,孫希華.山東省水土流失經(jīng)濟(jì)損失與生態(tài)價(jià)值損失評(píng)估[J].經(jīng)濟(jì)地理,2002,22(5):616-619.

[12] 馬良,左長(zhǎng)清,尹忠東,等.山東省降雨侵蝕力多年變化特征分析[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2010,8(4):79-85.

[13] 王萬(wàn)忠,焦菊英,郝小品,等.中國(guó)降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(I)[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(4):5-18.

[14] 楊軒,梁音,方繼青,等.基于日降雨信息的月降雨侵蝕力模型[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(2):216-222.

[15] 任洪玉,劉惠英.三峽庫(kù)區(qū)大寧河流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化[J].水土保持通報(bào),2016,36(3):1-7.

[16] 康淑媛,張勃,柳景峰,等.基于Mann-Kendall法的張掖市降水量時(shí)空分布規(guī)律分析[J].資源科學(xué),2009,31(3):501-508.

[17] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007.

[18] 門(mén)明新,宇振榮,許皞.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的河北省降雨侵蝕力空間格局研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(11):2270-2277.

[19] 劉國(guó)彬,梁一民.黃土高原草地植被恢復(fù)與土壤抗沖性形成過(guò)程(I):草地植被恢復(fù)生物量特征[J].水土保持研究,1997,4(S1):102-110,121.

[20] 劉正佳,劉占仁,王絲絲,等.基于日降雨的沂蒙山區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空變化研究[J].水土保持研究,2012,19(2):34-37.

Spatio-temporal Variations Characteristics of Rainfall Erosivity During 1961-2010 in Yihe Basin

LI Zijun, LIN Jinkuo, JIANG Aixia, ZHANG Chen

(SchoolofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan,Shandong250014,China)

[Objective] Analyzing the spatio-temporal variations of rainfall and rainfall erosivity of the Yihe Basin, to provide some references for soil and water loss control and land use planning. [Methods] A monthly rainfall erosivity model was adopted to calculate the rainfall erosivity by using daily precipitation data that were collected from 12 weather stations of Yihe Basin and its surrounding regions during 1961—2010. The spatio-temporal variations of rainfall and rainfall erosivity were analyzed by Mann-Kendall nonparametric tests and disjunctive Kriging space interpolation method. [Results] The spatial distributions of rainfall and rainfall erosivity in Yihe Basin showed a decreasing trends from the southwest part to the north part. The yearly averaged rainfall and rainfall erosivity were 789.41 mm and 2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a). Both of them were observed changed abruptly in 1965. The monthly rainfall and rainfall erosivity in Yihe Basin were mainly distributed in summer(June to August), accounting for 63.02% and 71.22% of the corresponding annual values respectively, and their maximum value were all found in July. The decrease proportion of rainfall in Autumn contributed mostly to the yearly decreasing trend of rainfall. The rainfall erosivity in summer had the greatest contribution. [Conclusion] The spatial distribution of rainfall and rainfall erosivity was similar in Yihe Basin. The monthly rainfall was different from the monthly rainfall erosivity.

Yihe Basin; rainfall erosivity; daily precipitation; spatio-temporal variation

2016-09-20

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“沂河流域土地覆被變化和蓄水工程水文效應(yīng)的分析與模擬”(41101079); 山東省自然基金(ZR2015DM012); 山東師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃國(guó)家級(jí)項(xiàng)目(201610445017)

李子君(1972—),女(漢族),山東省莒縣人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事土地利用變化方面的研究。E-mail:lizj@sdjzu.edu.cn。

姜愛(ài)霞(1961—),女(漢族),山東省威海市人,本科,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事土壤侵蝕試驗(yàn)方面的研究。E-mail:jaixia79@sina.com。

A

1000-288X(2017)03-0086-07

S157.1, TP79