新疆維吾爾自治區(qū)1981-2018年降雨侵蝕力的空間變化特征

伊力哈木·伊馬木

(新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,新疆 烏魯木齊 830000)

土壤侵蝕是我國最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。雨滴擊濺和降雨產(chǎn)生徑流形成的降雨侵蝕力，是土壤侵蝕的主要動力[1-2]。在中國坡面土壤流失方程CSLE(chinese soil loss equation)[3]等眾多土壤流失方程中用降雨侵蝕力(rainfall erosivity)表示降雨因素，可見降雨侵蝕力因子至關(guān)重要，其對土壤侵蝕定量研究和揭示氣候變化對土壤侵蝕影響有重要意義[2]。降雨侵蝕力因子作為評估潛在降雨侵蝕能力的動態(tài)指標，與月雨量及年雨量相比，日雨量包含更詳細的降雨特征信息，且較為符合降雨侵蝕力計算要求、估算精度較可靠，因而得到普遍應(yīng)用[4-7]。國內(nèi)外學(xué)者在降雨侵蝕研究中取得了許多成就，主要體現(xiàn)在兩點：①對降雨侵蝕力估算方法的研究，包括基于E·I結(jié)構(gòu)計算方法[8]和基于常規(guī)氣象資料的簡易計算方法2類?；诓煌瑫r間尺度的降雨數(shù)據(jù)，許多學(xué)者利用常規(guī)氣象資料建立了基于日降雨量[6,9]，月降雨量[9-10]年降雨量[11-12]來估算降雨侵蝕力[13-15]。因此，諸多學(xué)者[16-17]提出基于日降雨量的多種估算模型[18]，其中冪函數(shù)型模型應(yīng)用最為普遍[19]。②降雨侵蝕力變化特征研究。多在不同的時間尺度和空間尺度展開研究。如國內(nèi)學(xué)者在全國尺度上，章文波[5]，劉斌濤[20]等利用日降水數(shù)據(jù)，結(jié)合線性傾向率指標，分析了全國降雨侵蝕力空間變化情況，進而確定我國降雨侵蝕力變化顯著區(qū)域。省域尺度上，馬良等[21]采用降雨數(shù)據(jù)分析了江西省1957—2008年降雨侵蝕力的時空變化特征，劉燕玲[22]對黑龍江省降雨侵蝕力開展了研究，得出的結(jié)論是該省降雨侵蝕力自西北向中南升高，東部低于中部，空間分布特征與年降雨量空間分布吻合；流域尺度上，劉春利等[23]學(xué)者探討分析了延河流域降雨侵蝕力時空變化特征，結(jié)論為該流域降雨侵蝕力與侵蝕性降雨空間分布相一致，降雨侵蝕力總體上呈下降的趨勢；時間尺度上，賴成光[24]根據(jù)1960—2012年的日降雨資料數(shù)據(jù)，從年、季節(jié)、汛期和非汛期的角度對珠江流域降雨侵蝕力變化特征進行研究，得出流域多年平均降雨量和年均降雨侵蝕力之間具有較強相關(guān)性；Huang[25]等使用日值降雨資料數(shù)據(jù)研究了長江流域1960—2005年的降雨侵蝕力時空變化，得出其趨勢在空間上表現(xiàn)出金沙江和鄱陽湖流域顯著上升，在時間尺度上則表現(xiàn)出夏冬季節(jié)呈顯著增加。綜上所述，目前國內(nèi)已有研究主要集中在水土流失典型區(qū)，如南方地區(qū)[26-28]和黃土高原區(qū)[29-30]，但關(guān)于干旱區(qū)研究較少，特別是缺乏關(guān)于新疆維吾爾自治區(qū)長時間、整體性的綜合分析。近年來在氣候變化背景下，西北干旱區(qū)氣候變化較為顯著，降雨處于增加趨勢，同時由于新疆地形原因，造成降雨空間異質(zhì)性[31]較大。因此，開展降雨侵蝕力變化研究在掌握干旱區(qū)降雨侵蝕力的變化特征，對區(qū)域土壤水力侵蝕的防治有著重要意義。逐日降雨量數(shù)據(jù)是目前我國面向公眾公開的氣象站點數(shù)據(jù)中最詳細的雨量整編數(shù)據(jù)。鑒于很難獲取有關(guān)次降雨過程數(shù)據(jù)，同時為達到精確估算降雨侵蝕力的目的，本文以新疆1981—2018年38個氣象站日降雨資料為基礎(chǔ)，利用日降雨侵蝕力模型計算了其降雨侵蝕力，分析近40 a來新疆降雨侵蝕力的時空變化特征，探討新疆降雨侵蝕力時空分布格局的影響因素，旨在更好地了解氣候變化背景下該區(qū)土壤水力侵蝕關(guān)鍵自然因素動態(tài)變化趨勢，為該區(qū)土壤水力侵蝕理論研究和開展水土保持相關(guān)實踐工作等提供科學(xué)參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)處于中國西北部，為歐亞大陸中心(34°—50°N，73°—97°E)，面積約1.60×106km2，為典型的溫帶大陸型干旱氣候，年平均氣溫10 ℃，降水稀少且時空差異顯著，年均降水約145 mm。降水在空間上呈現(xiàn)西北高東南低，中四周低的特征，時間上主要集中夏季，并呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢[32]。地形以盆地和山地為主，呈現(xiàn)三山夾兩盆的地形輪廓，天山山脈橫貫中部，將新疆分為北部、南部和東部。區(qū)內(nèi)地表景觀以山體—綠洲—荒漠為主，沙漠戈壁和裸地面積大[33]，植被主要以灌木、半灌木為主，山區(qū)有少量森林和草原[34]。區(qū)內(nèi)土壤類型多樣，以風(fēng)沙土、棕鈣土、寒凍土為主，存在普遍的鹽漬化和貧瘠化問題[35]。

1.2 資料收集和預(yù)處理

收集新疆52個氣象站點1981—2018年的逐日降雨數(shù)據(jù)(來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng):http:∥www.nmic.cn/)。針對部分氣象站點存在缺漏測的情況，故對氣象站點數(shù)據(jù)資料進行核實，去除年均缺測日數(shù)超過5%的氣象站點，進而確定出新疆38個有效氣象站點，繼續(xù)對其仍存在少量缺測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)約90%處于少雨的4個月份(11—12月，1—2月)，則此部分少量的缺測數(shù)據(jù)對本研究影響較小。最后，對38個有效測站中剩余月份即影響較大月份的缺測數(shù)據(jù)，以距離倒數(shù)為權(quán)重、利用最近相鄰3個測站的數(shù)據(jù)進行空間插值，得到完整的逐日降雨序列數(shù)據(jù)。為了對新疆降雨侵蝕力空間特征進一步分析，對新疆區(qū)域進行分區(qū)域統(tǒng)計分析。依據(jù)天山以北、以南和以東3部分地區(qū)的劃分標準[36]，按照新疆氣象站點的海拔高度，將新疆劃分為平原區(qū)(<1 000 m)和山區(qū)(≥1 000 m)。除了計算年降雨侵蝕力外，按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年1—2月)四季劃分標準，計算對應(yīng)季節(jié)的降雨侵蝕力。

1.3 降雨侵蝕力計算

日雨量模型可直接估算年內(nèi)各個半月的降雨侵蝕力，可用于深入分析降雨侵蝕力的年內(nèi)和年際變化，具有月、年雨量模型無法相比的優(yōu)勢。因此，本研究使用日雨量算法模型估算半月降雨侵蝕力[5]，計算表達式為：

(1)

式中：R半月k為第k個半月時段的降雨侵蝕力R值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；m為半月時段天數(shù)(d)；Pk為半月內(nèi)第k天的侵蝕性日雨量值(≥12 mm)，<12 mm以0計算(mm)；以每月第15日劃分半月時段，前15 d為一個半月時段，剩余天數(shù)作為下一半月時段，這樣將全年依次劃分為24個時段；α，β為模型參數(shù)。

α=21.586β-7.189 1

(2)

(3)

式中：Pd12為日雨量≥12 mm的日平均雨量(mm)；Py12為日雨量≥12 mm的年平均雨量(mm)。采用公式(2—3)計算逐年24個半月降雨侵蝕力，將計算出的各半月降雨侵蝕力累加得到年降雨侵蝕力。

采用新疆38個氣象站點日降雨數(shù)據(jù)，計算出每個站點多年平均降雨侵蝕力。

1.4 傾向率

傾向率表征氣候要素長期變化的方向與程度，本文采用傾向率表明降雨侵蝕力的年際變化趨勢[19,23]，其計算公式為[37]：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 多年平均降雨量與降雨侵蝕力空間格局

根據(jù)新疆1981—2018年的降雨量數(shù)據(jù)的日降雨數(shù)據(jù)計算各年份的年平均降雨量，采用使用ArcGIS軟件的Kriging插值得到新疆平均降雨量空間分布和年均降雨侵蝕力空間分布圖(見圖1)。由圖1可看出，年均降雨量最高的地區(qū)為昭蘇，達到509.56 mm，年均降雨量最低為吐魯番，為15.10 mm，較為明顯站點從強到弱排序有昭蘇、烏魯木齊牧試、烏魯木齊、伊寧、塔城和巴音布魯克。年均降雨量在空間差異明顯，呈現(xiàn)北高于南，西高于東，中部高，南北低，即天山山區(qū)高，而其他低的特征。由新疆年均降雨侵蝕力空間分布圖分析新疆1981—2018年降雨侵蝕力的空間分異，新疆各站點降雨年均侵蝕力R值的變化范圍為1.78～629.49 MJ·mm/(hm2·h·a)，年均降雨侵蝕力R值最大站點在昭蘇，最小值在吐魯番；其中5個站點多年平均降雨侵蝕力R>300 MJ·mm/(hm2·h·a)，較明顯站點由強到弱是昭蘇、烏魯木齊牧試、烏魯木齊、阿合奇、巴里坤地區(qū)，可以看出，多年平均降雨侵蝕力空間分布規(guī)律與降水量的空間分布規(guī)律基本吻合。

圖1 新疆1981-2018年年均降雨量和降雨侵蝕力空間分布

近40 a間，天山北部降雨侵蝕力最大值在伊寧市。為1 391.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，其余地區(qū)為28.73～1 302.19 MJ·mm/(hm2·h·a)。天山南部最大值地區(qū)為阿合奇縣，達到了1 239.41 MJ·mm/(hm2·h·a)，其余地區(qū)為28.73～1 018.76 MJ·mm/(hm2·h·a)。年均降雨侵蝕力空間差異明顯，呈中部高，南北低，既天山山區(qū)高，其他區(qū)域低的特征。這可能由于該地區(qū)侵蝕性降雨強度和發(fā)生頻率較高的原因?qū)е?，盡管其他各縣年均侵蝕性降雨量顯著小于昭蘇，特別是在山區(qū)，這表明地形和降雨量是區(qū)域降雨侵蝕力的重要影響因素，對空間分布具有顯著影響。

2.2 降雨量與降雨侵蝕力年際變化空間分異

由新疆降雨量與降雨侵蝕力年際變化趨勢圖(見圖2)可以看出，降雨侵蝕力與降雨量時間格局與趨勢基本趨于一致。

圖2 新疆1981-2018年年均降雨量與降雨年均侵蝕力年際變化

降雨量呈波動式增加趨勢，增速為9.00 mm/10 a。1981—2018年全疆年均降雨量最高為215.86 mm，最低為101.23 mm；而1981—2018年年均降雨侵蝕力總體呈增加趨勢，增速為15.60 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，但降雨侵蝕力年際波動幅度較大。由于年均降雨侵蝕力空間差異明顯，所以全疆年平均不高，為158.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，最高為288.58 MJ·mm/(hm2·h·a)，最低為84.11 MJ·mm/(hm2·h·a)，但年際平均降雨侵蝕力波動幅度較大。

將新疆每個站點的降雨侵蝕力1981—2018年際降雨侵蝕力變化傾向率進行對比(見圖3)，總體新疆大部分地區(qū)降雨侵蝕力呈現(xiàn)增加趨勢，少部分地區(qū)降雨侵蝕力呈減少趨勢，個別地區(qū)趨于穩(wěn)定。烏魯木齊牧試站、阿合奇站、烏魯木齊站等24個地區(qū)氣象站數(shù)據(jù)顯示降雨侵蝕力變化呈現(xiàn)不同程度的正(增加)趨勢；沙雅、焉耆、若羌等14個地區(qū)氣象站數(shù)據(jù)顯示降雨侵蝕力變化呈現(xiàn)負(減少)趨勢?？傮w上天山以北的地區(qū)降雨侵蝕力波動范圍年際變化傾向率為-5.3～103.4 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，高于天山以南地區(qū)的-29.8～71.3〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a。天山以北部的降雨侵蝕力較南部有明顯的增加趨勢。其中降雨侵蝕力年際變化傾向率最大值為103.4 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，位于山區(qū)的烏魯木齊牧試站；最小值為-29.8〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，位于塔里木盆地的沙雅縣。新疆1981—2018年38個有效測站降雨侵蝕力傾向率空間分布整體表現(xiàn)為西北高東南低趨勢，降雨侵蝕力傾向率與年平均降雨量的空間格局基本相似，呈北部{平均傾向率30.2〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}高于南部{平均傾向率5.6〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}，山區(qū){平均傾向率34.4〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}高于盆地{平均傾向率8.4〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}的格局。

圖3 新疆1981-2018年年降雨侵蝕力傾向率空間變化

2.3 降雨與降雨侵蝕力季節(jié)變化

利用近40 a來春、夏、秋3個季節(jié)的降雨量與降雨侵蝕力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計(圖4)，并計算出每個季節(jié)的降雨量與降雨侵蝕力的傾向率。由于冬季主要是降雪，因此假設(shè)不產(chǎn)生土壤水力侵蝕，所以不進行統(tǒng)計。

圖4 新疆1981-2018年降雨量和年降雨侵蝕力季節(jié)傾向率

春、夏、秋季節(jié)中降雨量傾向率均為正，說明近40 a來3個季節(jié)降雨量有增加趨勢，夏季的降雨傾向率最高，達到了2.3 mm/10 a。春季和秋季次之，降雨傾向率均為2.2 mm/10 a。在空間上來看，新疆3季降雨量傾向率普遍呈現(xiàn)增加趨勢，天山以北地區(qū)以春季為主，天山以南地區(qū)以夏季為主，新疆東部地區(qū)以春、夏季為主(表1)。對近40 a來各個季節(jié)的降雨侵蝕力進行匯總(表1)，并分別計算春、夏、秋季節(jié)降雨侵蝕力的傾向率，由表可知，春、夏、秋季節(jié)降雨侵蝕力的傾向率均為正，說明近40 a來降雨侵蝕力3個季均有增加趨勢。其中秋季的降雨侵蝕力傾向率最高，達到了5.6 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，表現(xiàn)為降雨侵蝕力增加趨勢最明顯。夏季次之，達到5.5 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，春季為3.2 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a。在空間上來看，總體上新疆3季降雨侵蝕力大部分站點呈增加趨勢，但北部與南部地區(qū)在季節(jié)上降雨侵蝕力傾向率有顯著區(qū)別，新疆北部地區(qū)以春季和夏季為主，秋季多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢；新疆南部地區(qū)夏季和秋季為主，春季多地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢；新疆東部降雨侵蝕力夏季主要呈現(xiàn)增加趨勢(見表1)。

表1 新疆1981-2018年季節(jié)降雨侵蝕力和降雨量的傾向率

2.4 降雨與降雨侵蝕力年內(nèi)分配

計算各月的降雨量和降雨侵蝕力分別占年年雨量和侵蝕力值的比率，并以此為基礎(chǔ)繪制新疆內(nèi)北部、東部以及南部3個區(qū)域多年降雨和降雨侵蝕力的年內(nèi)分配圖。

由圖5可知，降雨年內(nèi)分配呈中央集中格局，但不同區(qū)域集中程度不同。全年降雨量占比5%以上月數(shù)，在時間持續(xù)上看，新疆北部7個月(4—10月)和東部7個月(4—10月)比南部6個月(4—9月)長，但最高降雨量占比，為南部19.78%>東部17.98%>北部17.27%。從降雨侵蝕力年內(nèi)分布情況可以看出(見圖5)，新疆不同地區(qū)多年平均降雨侵蝕力年內(nèi)分配呈不同程度的中央集中格局，但不同區(qū)域集中程度不同。全年降雨侵蝕力占比5%以上月數(shù)，天山以北地區(qū)8個月(4—11月)長于比南部5個月(5—9月)和東部3個月(6—8月)，但最高降雨量侵蝕力占比，東部為53.13%>南部22.17%>北部20.54%。降雨和降雨侵蝕力年份分配格局相似，呈中央集中格局，不同區(qū)域集中程度不同。兩者不同之處在于，年內(nèi)集中程度均為降雨侵蝕力高于降雨量。

圖5 新疆1981-2018年平均降雨和降雨侵蝕力年內(nèi)分配

3 討 論

本文研究結(jié)果表明新疆總體上多年平均降雨量呈西高東低，中高南北低格局，這與前人研究結(jié)果[31]相一致，可解釋為研究區(qū)受西風(fēng)環(huán)流、北大西洋濤動、地形、地理因素的影響[38]，形成了新疆降水時空分布特有格局。多年平均降雨量和降雨侵蝕力的空間格局相似，這與前人研究結(jié)果[29]相一致，這可解釋為降雨侵蝕力受降雨量與降雨強度兩個因素影響較大[8]，因此表明降雨侵蝕力和降雨量的空間分布具有相似性。有研究表明研究區(qū)的降雨量增加主要是降雨強度增加引起[39-40]，所以年際表現(xiàn)為降雨與降雨侵蝕力具有相對一致的波動增加趨勢，且增加速率表現(xiàn)為降雨侵蝕力略高于降雨量。

對降雨、降雨侵蝕力和高程相關(guān)分析(見表2)，可以看出，海拔≥1 000 m地區(qū)的降水量、降雨侵蝕力均與高程呈極顯著正相關(guān)，降水量的高程效應(yīng)表現(xiàn)為0.799 mm/m，降雨侵蝕力的高程效應(yīng)為0.786 〔MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)〕/m，即隨海拔升高，降雨量和降雨侵蝕力增加；而海拔<1 000 m的地區(qū)，降水量、降雨侵蝕力均與高程的相關(guān)性較弱，因而海拔對降雨和降雨侵蝕力的影響較弱。在全國范圍和西南地區(qū)[26]，黃土高原地區(qū)[29-30]降雨侵蝕力空間分布特征與降雨侵蝕力存在高程效應(yīng)，可見這與前人研究結(jié)果相一致。由表2可以看出，研究區(qū)降雨量與降雨侵蝕力在海拔<1 000 m與≥1 000 m地區(qū)的相關(guān)系數(shù)分別為r=0.859，p<0.01；r=0.973，p<0.01，表明降雨量與降雨侵蝕力具有呈非常顯著的正相關(guān)關(guān)系，即高程對降雨侵蝕力影響明顯，另外天山山區(qū)年降雨整體上在地表至4 000 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)典型線性增加特征[41]，可能在海拔1 000～4 000 m間地區(qū)的海拔對降雨侵蝕力變化影響相對較為明顯。多年平均降雨侵蝕力年內(nèi)分配呈不同程度的集中在“春夏”格局，但不同區(qū)域集中程度不同。這可解釋為西風(fēng)環(huán)流攜帶地中海東部的水汽由中亞方向輸入[42]，夏季西風(fēng)將大西洋和北冰洋的水汽攜至天山[41]，促進水汽形成時空分異。

表2 新疆降雨量、降雨侵蝕力與高程的關(guān)系

降雨量與降雨侵蝕力的時空分布特征相似，但是由于土壤侵蝕還受植被、土地利用和水土保持等多種因素的影響[29]，故時空分布上侵蝕力與實際土壤流失的可能會有差異。近年來，氣候變化背景下，新疆降水處于不同程度的增加趨勢已經(jīng)得到眾多學(xué)者的認同[43]。在氣候變化下，研究表明降水的與植被覆蓋相關(guān)系數(shù)為0.8[44-45]，降水增加也會也將會正向影響地表植被。那么可以推測未來在新疆“暖干”—“暖濕”的轉(zhuǎn)變背景下，降雨侵蝕力可能會繼續(xù)處于增加趨勢。雖然降水增加對植被的有積極促進作用，對于水土流失來講，植被水土保持的作用將會提高[46]，但同時降雨侵蝕力也會增強，所以在氣候變化—新疆強降水比重加大背景下[39-40,47]，新疆區(qū)域的水力侵蝕，特別是山區(qū)水力侵蝕不容忽視。

4 結(jié) 論

(1) 新疆總體上多年平均降雨量和降雨侵蝕力空間格局相似，空間呈西高東低，中高南北低格局，即北部>東部>南部；山區(qū)>盆地。

(2) 總體上1981—2018年新疆年降雨量與年降雨侵蝕力處于波動增加趨勢，但因區(qū)域不同而有差異，表現(xiàn)為降雨侵蝕力傾向率為北部高于南部，中部高于南北格局。天山北部、南部多呈正值，南部多為負值或持平。

(3) 降雨侵蝕力傾向率在新疆區(qū)域四季分配格局不同，北部區(qū)域春季和夏季較高，南部大部分區(qū)域在夏、秋季較高，但少部分區(qū)域春、夏季呈現(xiàn)減少趨勢，東部夏季呈增加趨勢。

(4) 多年平均降雨侵蝕力年內(nèi)分配呈集中在“春夏”格局，但不同區(qū)域集中程度不同，但年內(nèi)集中程度均為降雨侵蝕力高于降雨量。

(5) 氣候和海拔是影響降雨侵蝕力格局的關(guān)鍵要素，在氣候變化背景下，春夏季的大降水事件對新疆山區(qū)水力侵蝕不容忽視。