中國(guó)北方風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力時(shí)空分布特征

賈蓮蓮, 高海東, 樊 冰, 李占斌,3

(1.黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局, 西安 710021; 2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西安 710048; 3.中科院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

中國(guó)北方風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力時(shí)空分布特征

賈蓮蓮1, 高海東2, 樊 冰1, 李占斌2,3

(1.黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局, 西安 710021; 2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西安 710048; 3.中科院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

以中國(guó)北方15省為研究對(duì)象，收集了研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)349站，計(jì)算了降雨侵蝕力和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)，采用半方差函數(shù)和基尼系數(shù)等指標(biāo)，系統(tǒng)分析了風(fēng)蝕動(dòng)力和水蝕動(dòng)力的時(shí)空分布格局。結(jié)果表明：(1) 中國(guó)北方降雨侵蝕力平均值為1 652.90 MJ·mm/(hm2·h·a)，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)平均值為70.12，降雨侵蝕力在空間分布上呈中等程度變異，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為強(qiáng)變異。(2) 降雨侵蝕力具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)具有中等的空間相關(guān)性。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)總體表現(xiàn)北方高南方低，中部高，東西較低，而降雨侵蝕力的空間分布從東南向西北呈遞減趨勢(shì)。(3) 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)和降雨侵蝕力具有明顯的非同步性，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年內(nèi)分布較為均勻，而降雨侵蝕力的年內(nèi)分布極不均勻。研究結(jié)果可為我國(guó)北方風(fēng)蝕水蝕綜合治理提供一定參考。

降雨侵蝕力; 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù); 時(shí)空特征

土壤侵蝕是指土壤和成土母質(zhì)在外營(yíng)力作用下的分離、破壞和移動(dòng)[1]，是人類生存和發(fā)展面臨的全球性環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。中國(guó)北方地區(qū)由于氣候干旱和不合理的人類活動(dòng)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，土地沙化嚴(yán)重。在中國(guó)北方，風(fēng)蝕和水蝕是兩種主要的土壤侵蝕類型，風(fēng)蝕和水蝕經(jīng)常同時(shí)或者交替發(fā)生，形成了風(fēng)水復(fù)合侵蝕[3]。強(qiáng)烈的風(fēng)水復(fù)合侵蝕是脆弱環(huán)境形成的根源之一，也是脆弱環(huán)境的重要體現(xiàn)[4]。

關(guān)于風(fēng)水復(fù)合侵蝕，目前主要集中在風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)的劃分、驅(qū)動(dòng)因素、復(fù)合侵蝕機(jī)理以及生態(tài)恢復(fù)對(duì)策研究[5]。而侵蝕能量及外力的研究，是風(fēng)水復(fù)合侵蝕機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一。張平倉(cāng)等[6]研究得出六道溝風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)4—5月和11月是風(fēng)蝕能量的高峰時(shí)期，而在7—8月，形成水力侵蝕的高峰。高學(xué)田等[7]研究表明，在風(fēng)水蝕交錯(cuò)帶，在降雨侵蝕能量的基礎(chǔ)上，由于風(fēng)蝕能量的迭加，加之地形附加侵蝕能量也較高，使風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶成為黃土高原的高侵蝕能量環(huán)境區(qū)和潛在侵蝕強(qiáng)度較大的地區(qū)。張慶印等[8]在室內(nèi)模擬的結(jié)果表明，在一定的水蝕溝寬度與密度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕量隨著寬度與密度的增加而增加，并且兩者與風(fēng)蝕量都呈線性關(guān)系。楊巖巖等[9]分析了陜西省靖邊縣榆林風(fēng)沙科學(xué)野外試驗(yàn)站的沙漠—黃土過(guò)渡帶風(fēng)水復(fù)合侵蝕營(yíng)力的特征，結(jié)果表明，研究區(qū)年內(nèi)降雨量≥12 mm的降雨事件主要分布在5—9月，月平均降雨侵蝕力8月最大，起沙風(fēng)主要集中在3—6月，且起沙風(fēng)變率較大，屬于中等風(fēng)能環(huán)境?？梢钥闯觯谡麄€(gè)北方宏觀尺度上，系統(tǒng)研究風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力時(shí)空分布特征的報(bào)道較少。

本文以北方349個(gè)氣象站為對(duì)象，系統(tǒng)分析侵蝕性降雨天數(shù)、多年平均侵蝕性降雨量、侵蝕性降雨量比例、降雨侵蝕力、多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)以及風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，并以降雨侵蝕力和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為研究重點(diǎn)，分析風(fēng)蝕和水蝕動(dòng)力的時(shí)空格局特征，為這一地區(qū)的風(fēng)蝕和水蝕的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)北方15省地處北緯31°23′—53°33′，東經(jīng)73°27′—135°05′，總面積564萬(wàn)km2，占中國(guó)陸地總面積的59%，包括北京、天津、黑龍江、遼寧、吉林、河北、河南、山東、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆15個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)。是我國(guó)生態(tài)環(huán)境較為脆弱地區(qū)，近年來(lái)隨著國(guó)家生態(tài)治理工程的相繼實(shí)施，植被覆蓋度明顯提高，逐步成為我國(guó)北方生態(tài)屏障。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)，共收集研究區(qū)氣象站349站(圖1)，時(shí)間序列最長(zhǎng)為63 a，最短為10 a，其中大于30 a的站點(diǎn)為284站，比例為81%。主要指標(biāo)包括日降雨量、平均氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、極大風(fēng)速等。

圖1研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

根據(jù)RUSLE手冊(cè)及國(guó)內(nèi)相關(guān)研究[10]，侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降雨量≥12 mm/d，根據(jù)日降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)獲得多年平均侵蝕性降雨天數(shù)以及多年平均侵蝕性降雨量，并計(jì)算多年平均侵蝕性降雨量占多年平均降雨量的比值。啟動(dòng)風(fēng)速一般定義為≥5 m/s，本研究根據(jù)極大風(fēng)速分析啟動(dòng)風(fēng)速年內(nèi)分布特征，統(tǒng)計(jì)多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)。降雨侵蝕力采用由月降雨量計(jì)算降雨侵蝕力的經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

(1)

式中：P和Pi分別為年和月平均降雨量(mm)。

氣候條件對(duì)風(fēng)蝕的影響不僅僅表現(xiàn)在風(fēng)力作用上，而是風(fēng)速、降水和溫度等因子綜合作用的結(jié)果。Chepil等[12]認(rèn)為這些氣候因子決定著年土壤風(fēng)蝕水平，提出了風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)，用于風(fēng)蝕模型(WEQ)計(jì)算中。之后，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)[13]將Chepil公式修改為：

(2)

式中：ui為2 m處的月均風(fēng)速；ETPi為月潛在蒸發(fā)量；Pi為月降水量；di為月總天數(shù)。

月潛在蒸發(fā)量(ETPi)采用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算：

(3)

式中：ET0為可能蒸散量(mm/d)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為2 m處日均氣溫(℃)；U2為2 m處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

樣本的描述性分析采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)特征值包括最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度、峰度等。半方差函數(shù)采用GS+7.0進(jìn)行計(jì)算，空間分布圖采用ArcGIS 10.1制作。

半方差函數(shù)可用來(lái)分析氣象要素空間變異的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，它是地統(tǒng)計(jì)學(xué)特有的工具和分析基礎(chǔ)。半方差函數(shù)是研究空間變異的關(guān)鍵函數(shù)，表達(dá)式為：

(4)

采用變異系數(shù)(CV)和GINI系數(shù)(G)反映降雨侵蝕力和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年內(nèi)變異情況，變異系數(shù)的計(jì)算公式為：

CV=(SD/mean)×100%

(5)

式中：SD為標(biāo)準(zhǔn)差；mean為平均值。根據(jù)Nielsen的劃分標(biāo)準(zhǔn)，CV值≤10%時(shí)為弱變異，10%～100%為中等程度變異，≥100%時(shí)為強(qiáng)變異。

基尼系數(shù)是用來(lái)描述均衡程度的一種客觀指標(biāo)，近年來(lái)在水文學(xué)和氣候?qū)W等領(lǐng)域被廣泛采用[14-15]，用于描述環(huán)境變量的均勻性程度，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Wi表示將環(huán)境變量按大小排序，第i組的累計(jì)百分比；G為基尼系數(shù)，在0～1變化，當(dāng)基尼系數(shù)為0時(shí)，表示絕對(duì)平均，當(dāng)基尼系數(shù)為1時(shí)，絕對(duì)不平均。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力的描述性統(tǒng)計(jì)分析

中國(guó)北方侵蝕性降雨天數(shù)的平均值為10.39 d，多年平均侵蝕性降雨量為269.01 mm，占多年平均降雨總量的52%，降雨侵蝕力最小值為4 MJ·mm/(hm2·h·a)，最大值為6 951 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，平均值為1 652.90 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)為226.29 d，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)平均值為70.12。侵蝕性降雨天數(shù)、多年平均侵蝕性降雨量、侵蝕性降雨量比例、降雨侵蝕力以及多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)均呈中等程度變異，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為強(qiáng)變異(表1)。

表1 風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.2 侵蝕動(dòng)力因子的空間結(jié)構(gòu)分析

在GS+7.0中對(duì)各侵蝕動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行半方差函數(shù)擬合得到各自的半方差模型及其參數(shù)值(表2)。擬合度(R2)最高且殘差平方和最小的模型作為最優(yōu)模型。其中，多年平均侵蝕性降雨天數(shù)和降雨侵蝕力為球狀模型，多年平均侵蝕性降雨量和多年平均侵蝕性降雨量比例為高斯模型，多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為指數(shù)模型，其決定系數(shù)均大于0.9，說(shuō)明模型有很高的擬合精度，能夠很好地反映研究區(qū)侵蝕動(dòng)力的空間結(jié)構(gòu)特征。變程反映區(qū)域化變量影響范圍的大小，6個(gè)指標(biāo)變程的最小值為1 316 km，最大值為3 958 km。

表2 各侵蝕動(dòng)力因子的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

塊金值表示由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性，較大的塊金方差值表明較小尺度上的某種過(guò)程不容忽視；基臺(tái)值表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異。塊金系數(shù)反映隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的百分比，如果該值高，說(shuō)明隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度起主要作用。塊金系數(shù)代表了系統(tǒng)變量空間相關(guān)性的程度。如果比值<25%，說(shuō)明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；如果比例為25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性；>75%說(shuō)明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。

多年平均侵蝕性降雨天數(shù)、多年平均侵蝕性降雨量、多年平均侵蝕性降雨量占多年平均降雨總量的比重以及降雨侵蝕力等水力侵蝕動(dòng)力指標(biāo)的塊金系數(shù)均小于10%，說(shuō)明水力侵蝕動(dòng)力具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；而多年平均年啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的塊金系數(shù)均介于25%～75%，說(shuō)明風(fēng)蝕動(dòng)力具有中等的空間相關(guān)性，由隨機(jī)因素引起的空間變異占有較大的比重。風(fēng)蝕動(dòng)力的空間相關(guān)性低于水蝕動(dòng)力，原因在于風(fēng)速等氣象因子比降雨量更容易受到地形的影響，故其塊金系數(shù)值較高。

2.3 風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力因子的空間分布特征

在ArcGIS軟件的支持下，根據(jù)GS+7.0擬合得到的半方差模型對(duì)降雨侵蝕力和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)進(jìn)行Kriging插值，繪制了各侵蝕動(dòng)力因子的空間分布圖(圖2)。從空間分布上看，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)總體表現(xiàn)北方高南方低(圖2A)，中部高，東西較低，其中內(nèi)蒙古北方中部是風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)高值區(qū)域，而陜西和甘肅南部，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)較低。降雨侵蝕力(圖2B)的空間分布從東南向西北呈遞減趨勢(shì)。

圖2中國(guó)北方風(fēng)蝕氣候因子(A)和降雨侵蝕力(B)的空間分布

2.4 風(fēng)蝕水蝕侵蝕動(dòng)力因子的年內(nèi)分布特征

對(duì)349個(gè)氣象站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)最大值出現(xiàn)的月份為1月10站(2.87%)，2月為3站(0.86%)，3月為66站(18.91%)，4月為224站(64.18%)，5月為33站(9.46%)，6月為5站(1.43%)，12月為8站(2.29%)；降雨侵蝕力最大值月份5月為8站(2.29%)，6月為7站(2.01%)，7月為271站(77.65%)，8月為61站(17.48%)，9月為2站(0.57%)。我國(guó)北方地區(qū)，風(fēng)蝕主要發(fā)生在4月、3月、5月，而水蝕主要發(fā)生在7月和8月，在時(shí)間上，具有明顯的非同步性。風(fēng)蝕先于水蝕發(fā)生，風(fēng)蝕為水蝕提供了充分的物質(zhì)來(lái)源，導(dǎo)致在風(fēng)水蝕交錯(cuò)區(qū)河流的輸沙模數(shù)增高。

整個(gè)中國(guó)北方地區(qū)，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年內(nèi)變異系數(shù)平均值為0.70，最小值為0.19，最大值為1.38，顯示出在年內(nèi)尺度上，各月風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)呈現(xiàn)出中等水平變異。降雨侵蝕力的年內(nèi)變異系數(shù)平均值為1.90，最小值為0.55，最大值為2.95，顯示出強(qiáng)變異。

降雨侵蝕力基尼系數(shù)的最小值為30.03%，最大值為88.47%，平均值為76.37%，標(biāo)準(zhǔn)差為7.68%，而風(fēng)蝕氣候因子的最小值為10.57%，最大值為65.21%，平均值為37.70%，標(biāo)準(zhǔn)差為9.03%，基尼系數(shù)的計(jì)算結(jié)果也顯示，降雨侵蝕力在年內(nèi)分布極不均勻，而風(fēng)蝕氣候因子分布較為均勻。從空間分布上看(圖3)，降雨侵蝕力基尼系數(shù)在環(huán)渤海一帶年內(nèi)分布極不均勻，而在陜西南部、甘肅南部以及新疆北部年內(nèi)分布較均勻。而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)基尼系數(shù)在東北地區(qū)新疆北部以及陜西和甘肅南部分布略不均勻，其余地區(qū)分布較均勻。

圖3中國(guó)北方風(fēng)蝕氣候因子和降雨侵蝕力基尼系數(shù)空間分布

3 結(jié) 論

從風(fēng)蝕和水蝕動(dòng)力的空間分布上看，毛烏素沙地南部、庫(kù)布奇沙地東部、洪善達(dá)克沙地以及科爾沁沙地所處地帶，其降雨侵蝕力大于1 000 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)在50以上，這些地區(qū)植被覆蓋度低，由于風(fēng)蝕為水蝕提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，導(dǎo)致侵蝕模數(shù)較大，成為黃河、海河和遼河的泥沙主要來(lái)源地之一。因此，在這些地區(qū)，應(yīng)該風(fēng)水蝕兼治，降低侵蝕模數(shù)，減少入河泥沙。

(1) 中國(guó)北方多年平均侵蝕性降雨量為269.01 mm，占多年平均降雨總量的52%，降雨侵蝕力平均值為1 652.90 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)平均值為70.12。降雨侵蝕力在空間分布上呈中等程度變異，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為強(qiáng)變異。

(2) 降雨侵蝕力具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，而風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)具有中等的空間相關(guān)性。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)總體表現(xiàn)為北方高南方低，中部高，東西較低，而降雨侵蝕力的空間分布從東南向西北呈遞減趨勢(shì)。

(3) 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)最大值出現(xiàn)最多的月份為4月(64.18%)，降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)最多的月份為7月，具有明顯的非同步性。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年內(nèi)分布較為均勻，而降雨侵蝕力的年內(nèi)分布極不均勻。

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SpatiotemporalCharacteristicsofWater-WindErosionDynamicsOverNorthernChina

JIA Lianlian1, GAO Haidong2, FAN Bing1, LI Zhanbin2,3

(1.UpperandMiddleYellowRiverBureau,YellowRiverConservancyCommissionoftheMinistryofWaterResources,Xi′an710021,China; 2.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China; 3.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

15 provinces in northern China were taken as the research samples, first of all, 349 stations of the meteorological data of long time series in the study area were collected, then the rainfall erosivity and wind erosion climatic erosivity were calculated, meanwhile, a systematic analysis of the temporal and spatial distribution pattern of wind and water erosion dynamics were carried out by the semivariogram and Gini coefficient as well as other indexes. The results showed that: (1) the average value of the rainfall erosivity in North China was 1 652.90 MJ·mm/(hm2·h·a) and the wind erosion climatic erosivity average reached 70.12; the rainfall erosivity distribution in space had a moderate variability, while wind erosion climatic erosivity presented a strong variation; (2) a strong spatial correlation appeared in the rainfall erosivity, while a moderate spatial correlation was found in the wind erosion climatic erosivity; the latter showed the overall performance where high in the north and the central, low in other region, while the spatial distribution of rainfall erosivity from the southeast to the northwest showed a decreasing trend; (3) the wind erosion climatic erosivity and the rainfall erosivity were obviously non synchronous. The distribution of the former was more uniform while extremely uneven for the latter. The research results could provide some references for the comprehensive management of the wind-water erosion crisscross region in North China.

rainfall erosivity; wind erosion climatic factor; spatial-temporal characteristics

2016-04-22

：2016-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金“黃土高原淤地壩對(duì)流域侵蝕過(guò)程調(diào)控機(jī)理研究”(41401305)

賈蓮蓮(1983—),女,甘肅慶陽(yáng)人,工程師,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:jlnh83@163.com

高海東(1983—),男,內(nèi)蒙古烏審旗人,博士,講師,主要從事水土保持的生態(tài)水文效應(yīng)研究。E-mail:hdgao@msn.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0019-05