海南省東方市60年來降雨量及降雨侵蝕力變化趨勢

郭小君, 何小武, 李鳳英, 何紹浪

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院, 江西 南昌 330045)

氣候變化對(duì)各地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響尤為重要[1]。降雨量作為氣象站長期監(jiān)測的重要?dú)庀笠蜃又唬撬亮魇Оl(fā)生不可或缺的主要影響因子[2]，也是水土流失變化的主要驅(qū)動(dòng)力。降雨侵蝕力(R)反映的是降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力，是美國水土流失通用方程USLE[2]和其改進(jìn)版RUSLE[4]中6個(gè)因素之一，也是中國通用流失方程(CSLE)考慮的最為重要的因素[5]，對(duì)其進(jìn)行深入研究是開展區(qū)域水土流失預(yù)測預(yù)報(bào)、防治及土壤侵蝕機(jī)理研究的基礎(chǔ)。海南省由于其降雨量多、強(qiáng)度大、歷時(shí)短等特點(diǎn)，使得水力侵蝕成為該省主要的土壤侵蝕形式。據(jù)海南省2013年第一次水利普查結(jié)果顯示水土流失面積達(dá)2.116×103km2，比2000年全國第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查的結(jié)果增加了1.678×103km2，水土流失范圍逐年擴(kuò)增。東方市作為海南省水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，已被列入《國家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程2013—2017年實(shí)施規(guī)劃》中海南省5市縣之一[6]。然而，目前較少見針對(duì)海南省各地區(qū)降雨量及降雨侵蝕力的系統(tǒng)研究。為此，本研究擬利用海南省東方市1956—2015年近60 a的日降雨數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析該地區(qū)降雨量、侵蝕性雨量及降雨侵蝕力不同時(shí)間尺度上的變化趨勢和特征，以期為該地區(qū)及海南省水土流失防治及土壤侵蝕機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

東方市地處海南省西南部，處于昌化江下游，地勢東高西低，由東南向西北傾斜，東南部為山地和丘陵，西北部為平原和臺(tái)地。該地區(qū)屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，旱濕兩季分明，降雨量偏小，日照充足，蒸發(fā)量大。年平均氣溫24～25 ℃。1月平均氣溫18.4 ℃，極端最低氣溫1.4 ℃。7月平均氣溫29 ℃，極端最高氣溫為38.8 ℃。年平均降雨量在950～1 900 mm，沿海地帶雨量稀少，僅900 mm左右。年平均蒸發(fā)量在2 310～2 450 mm，年蒸發(fā)量大于年降雨量。為海南全省之最。地帶性土壤為磚紅壤、燥紅土和山地赤紅壤、山地黃壤等，土層深厚，質(zhì)地黏重，但其分散性大，絮固作用小，形成的團(tuán)聚體不穩(wěn)固，遇短時(shí)強(qiáng)降雨，易發(fā)生水土流失現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

為研究海南省東方市60 a來降雨量及降雨侵蝕力的演變趨勢，在中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)上收集了1956—2015年東方市的逐日降雨資料。并對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析不同時(shí)間尺度上(年、季、月)降雨量、侵蝕性降雨量的變化特征，利用日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力的年、季、月值并分析其趨勢演化。四季的劃分按照氣象習(xí)慣:3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至第二年2月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力的計(jì)算 降雨侵蝕力是指由降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力，是一種客觀評(píng)價(jià)土壤分離和搬運(yùn)的重要?jiǎng)恿χ笜?biāo)。精確估算降雨侵蝕力需要次降雨過程的資料，但由于此資料難以獲得，因此，通常是利用氣象站的日雨量、月雨量或年雨量資料建立簡易估算模型來進(jìn)行計(jì)算。在估算侵蝕力之前需確定侵蝕性降雨，侵蝕性降雨是指降雨產(chǎn)生的徑流引發(fā)土壤沖涮剝離的現(xiàn)象。一般利用降雨量的大小劃分侵蝕性降雨。不同地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的劃分有所差異，國外有以日降雨量≥12.7 mm或≥13.0 mm定為侵蝕性降雨，在我國也有多個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如侵蝕性日降雨量≥9.9 mm、≥10.0 mm、≥12.0 mm、≥12.3 mm、≥12.7 mm等[7-11]。本研究采用土壤侵蝕分析中日雨量≥12.0作為侵蝕性降雨。降雨侵蝕力(R)的計(jì)算采用章文波等[12]建立的中國降雨侵蝕力的簡易算法，以日雨量估算半月侵蝕力的模型定義為：

(1)

α，β的確定為：

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

式中：M——某半月時(shí)段的侵蝕力值(MJ·mm/hm2·h)；k——半月時(shí)段的日數(shù)；Pi——≥12 mm的日雨量；Pd12，Py12——≥12 mm的日雨量和年雨量；α，β——模型的待定參數(shù)。通過以上公式，結(jié)合東方市60 a來的日降雨資料，最終得到該地區(qū)日降雨侵蝕力的簡易估算模型為：

(4)

把東方市1956—2015的日降雨量代入公式(4)可得≥12 mm日雨量的降雨侵蝕力，累積每日降雨侵蝕力可得每月降雨侵蝕力，再累積各月降雨侵蝕力則得到年降雨侵蝕力。

2.2.2 趨勢走向檢驗(yàn) 通過變異系數(shù)Cv，趨勢系數(shù)和氣候傾向率(即每10 a的變化量，用降雨量P，降雨侵蝕力R與時(shí)間t一元回歸的斜率的10倍來表示，單位同降雨侵蝕力)，傾向率的年內(nèi)分布等指標(biāo)分析降雨量、侵蝕力的年際年內(nèi)變化。趨勢系數(shù)可反映氣候要素長期變化的方向和程度，氣候傾向率可以從另一個(gè)側(cè)面反映各降雨要素的趨勢變化程度，兩者均表現(xiàn)為大于0則增加，小于0則減小，它們的關(guān)系式[7,13-14]為：

(5)

(6)

σt——數(shù)列1，2，…，n的標(biāo)準(zhǔn)差，這里取n=60；k×10——表示某降雨要素的氣候傾向率。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量隨時(shí)間變化特征分析

3.1.1 降雨總量的分布 東方市1956—2015年60 a來年均降雨量982.9±286.0 mm，最大降雨量為1 537.0 mm，最小為275.4 mm，最高年降雨量為最低年的5.6倍，年降雨量在28.0%～156.4%幅度范圍內(nèi)波動(dòng)，年際變化較大，變異系數(shù)達(dá)到了29.1%(表1)。與多年平均降雨?duì)顩r相比，20世紀(jì)60年代末到90年代初降雨量相對(duì)偏少，減少幅度為6.6%，但其變異系數(shù)偏大(13.4%)，其中1986—1995年降雨量偏少幅度最大，為10.1%。另3個(gè)時(shí)段內(nèi)年降雨量相對(duì)偏多，增加幅度為6.5%，但其變異系數(shù)偏小(-20.5%)，其中1996—2005年的時(shí)間段內(nèi)增加幅度最大，為8.5%。在10 a尺度上，降雨量均值及標(biāo)準(zhǔn)差的年代際變化整體呈波動(dòng)增加的趨勢，而各年代際的變異系數(shù)呈波動(dòng)減小趨勢。

注：表中降雨量的單位均為mm，降雨侵蝕力的單位為MJ·mm/(hm2·h·a)；“變幅”均表示該指標(biāo)時(shí)段值與全時(shí)段指標(biāo)值之差與全時(shí)段指標(biāo)值的比值。

3.1.2 不同時(shí)間尺度上降雨量的趨勢變化分析 東方市60a來年均降雨量呈逐漸增加趨勢，年變化的趨勢系數(shù)為0.129(表2)。季節(jié)尺度上，各季都表現(xiàn)為不同程度的增加，春季和冬季降雨量的增加趨勢更大，趨勢系數(shù)分別為0.122和0.101。月尺度上，除2，6，8月呈程度不等的減小趨勢外，其他月份都在不斷增加，2月的減小程度最大，趨勢系數(shù)為-0.140，而7，11，12月的增加程度更為明顯，趨勢系數(shù)都在0.20以上，多數(shù)月份的降雨量呈不明顯的增減趨勢變化。

為分析季、月降雨量的變化對(duì)年降雨量變化的影響程度，用相關(guān)分析法確定季、月降雨量與年降雨量的相關(guān)性大小，與季、月降雨量占年降雨量的比例加以比較分析。結(jié)果顯示，季節(jié)尺度上，各季降雨量與年降雨量的相關(guān)程度大小和其占年雨量比例的分布規(guī)律一致，均表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季(圖1)，夏、秋兩季的降雨量與年降雨量在0.01的顯著水平上表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，兩季累積雨量占全年雨量的83.66%，夏季相關(guān)程度最大，占年雨量的51.29%，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.842。月尺度上，6—10月降雨量與年降雨量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，占年雨量的80.97%，為年內(nèi)的集中降雨月份，而6—9月表現(xiàn)為極顯著性相關(guān)，占年雨量的69.39%，其中8月的相關(guān)程度最高，累積雨量占年雨量的22.48%。雖然東方市多年來年內(nèi)降雨分配極不均衡，季、月降雨量的變化趨勢差異較大，但對(duì)年降雨量起主導(dǎo)作用的是夏季的7，8月和秋季的9月，占年降雨量的55.94%。

注：表中“+”為增加，值越大，增加趨勢越明顯；“-”為減小，值越小減小趨勢越明顯。

圖1 東方市多年平均降雨量的月均及季均分布

3.2 侵蝕性降雨量隨時(shí)間變化特征分析

3.2.1 侵蝕性降雨量的分布 東方市60 a來年均侵蝕性降雨量816.1±291.2 mm，占多年平均降雨量的83.0%，變異系數(shù)為35.7%(表1)，年侵蝕性最大降雨量1408.1 mm，侵蝕性最小降雨量156.2 mm，最高年侵蝕性降雨量為最低年的9.0倍，侵蝕性降雨量在19.1%～172.5%范圍內(nèi)波動(dòng)，與年降雨量的變化趨勢一致，波動(dòng)跨度都很大。各年代侵蝕性降雨量的變異系數(shù)都比同時(shí)段年降雨量的變異系數(shù)大，表明離散程度更大。與全年降雨量的分布相似，20世紀(jì)60年代末到90年代初侵蝕性降雨量相對(duì)偏少，減小幅度為8.3%，變異系數(shù)偏大(13.0%)，其中1986—1995年侵蝕性降雨量偏少幅度最大，為11.1%。另3個(gè)時(shí)段年侵蝕性降雨量偏大，增加幅度為8.3%，變異系數(shù)偏小(-18.5%)，其中2006—2015年侵蝕性降雨量增加幅度最大，為11.3%。在10 a尺度上，各年代侵蝕性降雨量呈較明顯波動(dòng)增加趨勢。

3.2.2 不同時(shí)間尺度上侵蝕性降雨量的趨勢變化分析 東方市60 a來侵蝕性降雨量與年降雨量的變化趨勢相似，都表現(xiàn)為較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.156(表2)。季節(jié)尺度上，各季也都呈不同程度的增加，春季的增加程度最大，其次是冬季，最小的是秋季。月尺度上，2，4，6，8月的侵蝕性降雨量都呈不明顯的減小趨勢演變，其它各月份都有所增加，其中11，12月增加的程度更大，趨勢系數(shù)分別達(dá)到0.266，0.246。通過分析季、月侵蝕性雨量的變化對(duì)年侵蝕性雨量的變化的影響，結(jié)果表明，季節(jié)尺度上，夏、秋兩季與年侵蝕性雨量有極顯著的正相關(guān)性，兩季總侵蝕性降雨量占年侵蝕性降雨量的86.73%(圖2)，而夏季占年侵蝕性降雨量的一般以上，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.855，表明夏季降雨極易引發(fā)東方市的水土流失，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該季節(jié)的防范措施。月尺度上，年內(nèi)侵蝕性降雨主要分布在6—9月，占年侵蝕性降雨量的73.19%，且與年侵蝕性降雨量都表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，8月的相關(guān)性最大，占年侵蝕性雨量的24.12%。相關(guān)程度最低的為1，2，12月，其相關(guān)系數(shù)都為負(fù)值，這3個(gè)月的侵蝕性降雨量只占年的1.94%，幾乎比其他任何一個(gè)月份的占比率都小，說明這段時(shí)期的降雨引發(fā)的土壤流失可以忽略不計(jì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)生活并無較大程度的危害。

圖2 東方市多年平均侵蝕性降雨的月均及季均分布

3.3 降雨侵蝕力隨時(shí)間變化特征分析

3.3.1 降雨侵蝕力的分布 東方市60 a來年均降雨侵蝕力為9 441.7±4 293.1 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)為45.5%(表1)，變異程度均較各時(shí)段全年降雨量和侵蝕性降雨量大，年最大降雨侵蝕力為19 728.7 MJ·mm/(hm2·h·a)，是年最小降雨侵蝕力的14.8倍，體現(xiàn)出各年際較大的幅度變化，離散程度更高。與全年降雨量和侵蝕性降雨量的分布有所差異，20世紀(jì)50年代末到90年代初降雨侵蝕力相對(duì)偏少，減小幅度為7.6%，但只有在1976—1995年時(shí)段內(nèi)變異系數(shù)偏大(11.2%)，其他時(shí)段均變異系數(shù)偏小(-8.8%)，其中1986—1995年降雨侵蝕力偏少幅度最大，為14.2%。在10 a尺度上，各年代降雨侵蝕力呈現(xiàn)較明顯的波動(dòng)增加趨勢。

3.3.2 不同時(shí)間尺度上降雨侵蝕力的趨勢變化分析 根據(jù)氣候傾向率和趨勢系數(shù)的數(shù)值變化方向得出東方市60 a來降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的變化趨勢相似，呈現(xiàn)出較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.198(表2)。季節(jié)尺度上，四季都呈較大的趨勢增加，增加趨勢明顯于降雨量和侵蝕性降雨量。月尺度上，除3月份表現(xiàn)不明顯的減小趨勢，其余月份都有不同程度的增加，多數(shù)月份的增加趨勢不太顯著，只有11，12月的趨勢系數(shù)達(dá)到0.2以上。通過分析季、月降雨侵蝕力的變化對(duì)年降雨侵蝕力的變化的影響，結(jié)果顯示，季節(jié)尺度上，與降雨侵蝕力有極顯著相關(guān)的是夏、秋兩季，兩季降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的88.38%(圖3)，單夏季就占年降雨侵蝕力的一般以上，所占比例為58.82%，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.880。月尺度上，年內(nèi)降雨侵蝕力主要分布在6—9月，占年降雨侵蝕力的76.37%，且與年降雨侵蝕力都表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，8月的相關(guān)性最大，占年降雨侵蝕力的25.79%。

圖3 東方市多年平均降雨侵蝕力的月及季節(jié)分布

3.4 降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力的相關(guān)性分析

年降雨量、年侵蝕性降雨量和年降雨侵蝕力這三者在時(shí)間分布及趨勢變化上有著相似的特征，這與前人的研究結(jié)果一致[15,16]。為此，本研究采用線性回歸和冪函數(shù)回歸兩種方法比較兩兩之間的相關(guān)性。由表3可知，無論是用線性回歸還是乘冪方法分析，三者之間都表現(xiàn)出極好的相關(guān)性，決定系數(shù)達(dá)到0.9以上，相關(guān)性最好的是年降雨量和年侵蝕性降雨量，決定系數(shù)r2=0.987 2，其次是侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力。從方法角度，乘冪方程得到的決定系數(shù)均較線性回歸方程的決定系數(shù)大，尤其是年降雨量與降雨侵蝕力，說明用乘冪方程能更好地表現(xiàn)3個(gè)降雨指標(biāo)之間的關(guān)系。

表3 東方市年降雨量、年侵蝕性降雨量及年降雨侵蝕力的相關(guān)性分析

注：P是年降雨量;Pi是年侵蝕性降雨量;R是年降雨侵蝕力。

4 結(jié) 論

(1) 東方市1956—2015年60 a來年平均降雨量為982.9 mm，年侵蝕性降雨量為816.1 mm，年降雨侵蝕力為9 441.7 MJ·mm/(hm2·h·a)。年際變化趨勢一致，都表現(xiàn)為逐漸增加，變異系數(shù)分別為29.1%，35.7%，45.5%。年際差異非常顯著，最高年降雨量為最低年的5.6倍，最高年侵蝕性降雨量為最低年的9.0倍，最高年降雨侵蝕力為最低年的14.8倍。

(2) 60 a來降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢，趨勢系數(shù)分別為0.129，0.156，0.198。季、月尺度上三個(gè)降雨指標(biāo)的趨勢變化差異較大，但總體變化格局相似，均集中在夏、秋兩季，分別占全年的83.66%，86.73%，88.38%。月尺度上主要集中在6—9月，分別占全年的69.39，73.19%，76.37%，均表現(xiàn)很強(qiáng)的集中性，在此時(shí)段內(nèi)三個(gè)降雨指標(biāo)都與全年存在極顯著的相關(guān)性。降雨三指標(biāo)的季、月分布均為單峰型，季節(jié)內(nèi)夏季最高，各占全年的51.29%，55.14%，58.82%；各月份內(nèi)8月占比最大，各占全年的22.48%，24.12%，25.79%。

(3) 降雨量、侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力兩兩之間有極強(qiáng)的線性相關(guān)性，用線性回歸方程和乘冪方程得到的決定系數(shù)r2都達(dá)到0.9以上，且乘冪方程算出的決定系數(shù)都較線性回歸方程要高，表明乘冪方程能更好地反映三個(gè)降雨指標(biāo)兩兩之間的相關(guān)性。

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