肇慶市水土流失關(guān)鍵因子提取
——以降雨侵蝕力R為例

王 普

(廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 肇慶 526060)

水土流失是在外營(yíng)力主要是降水或地殼內(nèi)部作用下土壤顆粒剝離土體、產(chǎn)生運(yùn)移的生態(tài)過(guò)程，是引起全球土地退化的主要環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)南方地區(qū)人口密集、土地利用強(qiáng)度大、地表形態(tài)破碎，是我國(guó)水土流失嚴(yán)重地區(qū)之一[1]。水土流失易于造成土地生產(chǎn)力下降、植被退化、水體污染、洪澇、泥石流等系列生態(tài)災(zāi)害，并制約農(nóng)林經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)生活。特別是是南方地區(qū)，形成了典型的‘紅色沙漠’、‘石漠化’、‘林下流’等水土流失景觀。依據(jù)通用土壤流失方程(USLE)可知，降水是水土流失的直接驅(qū)動(dòng)因素[2]。我國(guó)南方地區(qū)主要是亞熱帶季風(fēng)和熱帶季風(fēng)氣候，具有降雨量集中、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，這種氣候特征容易產(chǎn)生水土流失。本文以肇慶市為例，旨在探討區(qū)域降雨侵蝕力計(jì)算過(guò)程及其空間分布特征。

1 研究區(qū)概況

肇慶位于華南亞熱帶北回歸線附近，地理位置為N22°47′-N24°24′、E111°21′-E112°52′，北面、西面環(huán)山，地勢(shì)自西北向東南傾斜，以中低山、丘陵、盆地、平原為主要地貌類(lèi)型。全市屬珠江水系，河流汛期為4-9月份，徑流量達(dá)2 613×108m3。該地為南亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年平均氣溫21.2℃，降雨量約1 650 mm，無(wú)霜期325 d，7-9月份多受臺(tái)風(fēng)影響。全市水熱資源豐富，植被初級(jí)生產(chǎn)力旺盛，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，但原生植被覆蓋度較低，大部分為次生林，成林時(shí)間小于30 a。區(qū)域有第四紀(jì)紅壤廣泛分布，土壤質(zhì)地黏重、易侵蝕。見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)位置與氣象站點(diǎn)分布

2 降雨侵蝕力計(jì)算方法

2.1 通用土壤流失方程(USLE)

USLE是美國(guó)農(nóng)業(yè)部聯(lián)合地質(zhì)調(diào)查部門(mén)在10 000多個(gè)徑流小區(qū)土壤流失實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)歸納方法獲得的土壤侵蝕定量模型：

A=K·L·S·P·R·C

(1)

式中：A、K、L、S、P、R和C分別為土壤流失模數(shù)、可蝕性因子、坡長(zhǎng)、坡度、降雨量、降雨侵蝕力和植被覆蓋度因子。由式(1)可知，水土流失是降雨侵蝕力的函數(shù)，二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[3]。

2.2 降雨侵蝕力

降雨侵蝕因子R是準(zhǔn)確提取區(qū)域水土流失信息的關(guān)鍵生態(tài)因子。在水蝕景觀區(qū)，R表征降雨動(dòng)能對(duì)地表的破壞力。通常認(rèn)為R與降雨量、雨強(qiáng)、集中度、雨滴速度和大小、降雨歷時(shí)等多種因素密切相關(guān)，然而現(xiàn)實(shí)自然環(huán)境中這些復(fù)雜參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取。因此大多數(shù)研究采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?，其中著名的有我?guó)水土保持專家劉寶元[4]建立的R因子模型，然而該模型適應(yīng)于黃土高原地區(qū)。還有周伏建等建立的福建省R因子模型，Rosewell建立的日降水量R模型。結(jié)合數(shù)據(jù)可得性與氣候區(qū)域性限制，考慮到福建省與本研究區(qū)氣候特征相近，因此本文采用周伏建的模型估算區(qū)域降雨侵蝕力R。具體如下：

(2)

式中:Rm為第m個(gè)月的降雨侵蝕力；Pm為該月降雨量；年降雨侵蝕力則通過(guò)逐月合成而來(lái)。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象中心提供的肇慶市境內(nèi)8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)2000-2010年的逐月觀測(cè)資料。將逐月數(shù)據(jù)合成為多年平均月降水?dāng)?shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用式(2)提取其降雨侵蝕力。為獲取肇慶市降雨侵蝕空間分布式信息，以DEM數(shù)據(jù)提取的高程、坡度、坡向信息為輔助變量，采用Anusplin插值法進(jìn)行空間化，其空間分辨率為100 m。

3 肇慶市降雨侵蝕力提取

3.1 肇慶市降雨侵蝕力站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特征

肇慶市2000-2012年8個(gè)氣象站點(diǎn)的多年平均降雨量與降雨侵蝕力見(jiàn)表1。由表1可知，以懷集站降雨量最豐富，可達(dá)1 840.45 mm，其降雨侵蝕力達(dá)5 590.86 MJ·mm/(hm2·h)；郁南站降雨量最少，僅為1 505.92 mm，其對(duì)應(yīng)的降雨侵蝕力也最小，為4 569.82 MJ·mm/(hm2·h)。8個(gè)站點(diǎn)降雨量平均值1 652.38 mm，侵蝕力平均水平為4 992.61 MJ·mm/(hm2·h)。

表1 肇慶市各氣象站點(diǎn)降雨量與降雨侵蝕力

3.2 肇慶市降雨侵蝕力空間分布

依據(jù)式(2)計(jì)算的降雨侵蝕力，再基于空間外推方法，得到肇慶市降雨侵蝕力空間分布圖，見(jiàn)圖2(a)。由圖2(a)可知，該地區(qū)降雨侵蝕力空間分布范圍介于4 446.92～5 782.56 MJ·mm/(hm2·h)之間，最高值位于區(qū)域東北部局部，最低值位于西南部地區(qū)，其空間平均值為5 032.58 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為1 756.35 MJ·mm/(hm2·h)。為直觀解釋降雨侵蝕力空間分布規(guī)律，本研究還繪制了區(qū)域多年平均降水量空間分布圖，見(jiàn)圖2(b)。由圖2(b)可知，全市降雨量分布范圍為1 586～1 887 mm，雖然空間插值結(jié)果與站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值略有出入，但完整顯示其空間規(guī)律。區(qū)域降雨侵蝕力與降雨量之間具有一定的空間趨勢(shì)性，均呈現(xiàn)自西南向東北減少的分布格局。

圖2 肇慶市降雨侵蝕力與降雨量空間分布特征

3.3 降雨侵蝕力與降雨量之間的關(guān)系

圖3為肇慶市降雨侵蝕力與降雨量之間的關(guān)系，二者擬合關(guān)系為y=3.045 3x-25.196，R2=0.999 8，在0.01水平上呈極顯著。這是由于降雨侵蝕力計(jì)算原理導(dǎo)致，由式(2)可知，降雨量增加將導(dǎo)致侵蝕力呈線性增加。林金石等[5]在南方鷹潭地區(qū)研究顯示，二者相關(guān)性達(dá)到0.978；李喻鑫等[2]在贛江上游研究表明，二者的相關(guān)程度達(dá)到0.92，本研究結(jié)果與前人研究具有一定可比性。但Rosewell研究表明，降雨侵蝕力不僅要考慮降雨量，更應(yīng)該考慮降雨強(qiáng)度，雨強(qiáng)是降雨能量以及對(duì)地表侵蝕能量的具體體現(xiàn)，因此在有些地區(qū)二者并不呈現(xiàn)密切線性相關(guān)。

圖3 降雨侵蝕力與降雨量之間的相關(guān)性

3.4 降雨侵蝕力與環(huán)境因素之間的關(guān)系

圖4為柵格像素水平肇慶市降雨侵蝕力與環(huán)境因子之間的關(guān)系。由圖4可知，降雨侵蝕力與區(qū)域海拔、坡度、坡向的關(guān)系依次為y=0.198 2x+5 076.4，y=16.886x+5 085.4，y=0.101 1x+5 101.3。但并未通過(guò)5%水平信度檢驗(yàn)，表明該地區(qū)降雨侵蝕力與地形因子之間無(wú)密切關(guān)系。其與經(jīng)度之間的擬合關(guān)系為y=657.36x-6 8624,R2=0.546 4，直觀量化與區(qū)域降雨侵蝕力經(jīng)向地帶性分異，這與圖2所示結(jié)果一致。從緯向來(lái)看，二者之間的擬合關(guān)系為y=-1 810.3x3+128 279x2-3E+06x+2E+07，R2=0.332 5，在0.05水平上顯著。

圖4 降雨侵蝕力與環(huán)境因素之間的相關(guān)性

4 結(jié) 論

肇慶市降雨侵蝕力呈現(xiàn)自西南向東北增加、自東向西減少的空間分布格局，這種分布特征與降水量的關(guān)系密切，二者相關(guān)性達(dá)0.99。由于肇慶南部地區(qū)水汽傳輸受到山地地形阻擋，導(dǎo)致局部降水量、降雨侵蝕力均較低；而東北部為開(kāi)闊地形，便利水汽運(yùn)移，同時(shí)也形成降雨侵蝕力集中地區(qū)。綜合來(lái)看，全市降雨侵蝕力空間分布主要受海陸位置影響，而地形的宏觀影響較弱。