閩北地區(qū)降雨量及降雨侵蝕力的時空變化特征

趙莉莉，范勛承

（邵陽學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，湖南邵陽 422000）

引起土壤流失的因素很多，可歸納為人為因素和自然因素。人為因素是指人類對自然的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致的土壤資源的破壞，這是能夠控制的因素。自然因素包括風(fēng)、降雨、凍融等人類較難控制的因素，其中降雨是引起土壤流失的最主要因素之一。土壤流失預(yù)測預(yù)報是水土保持學(xué)科的一項重要研究內(nèi)容，通過建立定量的土壤流失預(yù)測預(yù)報模型，可以對特定區(qū)域的土壤流失量進(jìn)行計算，并為相應(yīng)的水土保持措施的制定提供決策依據(jù)[1]。在土壤流失量的計算上，土壤流失方程式（USLE）被眾多國家所引用，其中，降雨侵蝕力（R）、作物經(jīng)營因子（C）以及土壤保持措施因子（P）是方程中較為重要的因子，而土地利用表現(xiàn)在C 和P上。雨滴飛濺以及由降雨產(chǎn)生的徑流是引起土壤流失的重要動能[2]。近年來，國內(nèi)學(xué)者就降雨侵蝕力等方面開展了諸多研究，如章文波等[3]利用全國564 個測點的逐日降雨資料對1971－1998 年的全國降雨侵蝕力空間變化特征進(jìn)行了分析；傅伯杰等[4]利用土壤流失方程計算了黃土高原的水蝕情況；王亞楠[5]利用東部地區(qū)水文站和氣象站的相關(guān)資料對該地區(qū)近30 年的降雨侵蝕環(huán)境時空變化特征進(jìn)行了分析；李佳蕾等[6]利用修正版的土壤流失方程（RUSLE）對全國2000－2015 年間的土壤侵蝕量進(jìn)行了研究；莫建飛等[7]利用石漠化因子對RUSLE 模型進(jìn)行修正，構(gòu)建了廣西區(qū)巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失估算模型，分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)侵蝕強度以中度及以上為主。

研究降雨對土壤侵蝕的潛在作用，不僅可為下一步土壤流失量的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到定量預(yù)測預(yù)報土壤流失的目的。同時，由于降雨侵蝕引起的土壤結(jié)構(gòu)變化，降低作物產(chǎn)量而導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低。同時，對降雨侵蝕力的研究也可為進(jìn)一步研究閩北地區(qū)降雨與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的相關(guān)關(guān)系提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在福建省的北部——南平市，俗稱閩北。閩北土地面積為2.63×104km2，下轄2 個市轄區(qū)、5 個縣、3 個縣級市，包括延平區(qū)、建陽區(qū)、順昌縣、浦城縣、光澤縣、松溪縣、政和縣、邵武市、武夷山市、建甌市（圖1）。閩北是福建省最大的地級市，約占福建省總面積的1/5，同時也是福建省最早開發(fā)的地區(qū)之一。閩北地形受構(gòu)造運動影響明顯，山地多分布在西北、東北和西南部，低山、丘陵、盆地多分布在中部和南部。閩北地區(qū)屬于中亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17～19℃，冬季氣溫為6～9℃，夏季平均氣溫為28～29℃，雨季分明。暴雨常出現(xiàn)在5－7 月，閩北一天最大降雨量200～400mm，三天最大降雨量400～600mm。冬季多北風(fēng)，夏季多東南風(fēng)。2019 年末，戶籍總?cè)丝?18.26 萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)1991.57 億元。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

本研究先通過公式（1）計算半月的侵蝕力R半月，再利用公式（4）和公式（5）得到各氣象站點年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力。最后，利用ArcGIS10.2 的空間克里金插值法[1]，得到閩北年侵蝕性降雨量和年降雨侵蝕力的空間分布圖。具體來說，為了求得R半月，首先需要求得β的值，而后求得α的值。獲取β值需要的條件是：日雨量≥12mm（一般把≥12 mm 的日雨量作為產(chǎn)生土壤侵蝕的降雨標(biāo)準(zhǔn)[8]）的多年日平均降雨量和日雨量≥12mm 多年平均降雨量（見公式2），這些數(shù)據(jù)可以從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺獲取，并經(jīng)過統(tǒng)計分析而得到。然后，代入公式（3）得到α值，而后利用α和β值代入公式（1）得到R半月，最后將R半月代入公式（4）和（5）得到R年和。具體公式如下：日雨量估算半月侵蝕力模型計算公式如下[1,9]：

式中，R半月是各氣象站點半月內(nèi)的降雨侵蝕力值，單位是MJ·mm/（ha·h）；m 是該半月日雨量≥12mm的天數(shù)；Pk為半月內(nèi)第k 天≥12 mm 日雨量（mm）。

式中，P（d12）是日雨量≥12 mm 的多年平均日雨量（mm）；P（y12）是日雨量≥12mm 多年平均降雨量（mm）。

在公式（4）和（5）中，R年是年降雨侵蝕力；是多年平均年降雨侵蝕力，單位是MJ·mm/（ha·h）。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，考慮到研究區(qū)的實際情況及數(shù)據(jù)的全面性，研究時段定為1981－2010 年，此時段氣象站點數(shù)據(jù)較全面（共9 個氣象站數(shù)據(jù)）。因此，從該平臺選取了閩北1981－2010 年9 個氣象站點的多年平均日降雨量數(shù)據(jù)，9個氣象站點的分布圖及地理位置信息見圖2 和表1。

表1 閩北各氣象站點地理位置信息

圖2 閩北各氣象站點分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 閩北降雨量時空分布特征

3.1.1 閩北降雨量時間分布特征。本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于光澤站、邵武站、武夷山站、浦城站、建陽站、松溪站、政和站、建甌站和順昌站，共9 個氣象站1981－2010 年的年、月平均降水?dāng)?shù)據(jù)。各站點多年平均月降雨量如圖3 所示。由圖3 可以看出，閩北地區(qū)雨季分明，各區(qū)（市、縣）的降雨量在各月份的分布上較為一致，峰值均出現(xiàn)在6 月，而最小值出現(xiàn)在12 月。其中，3－4 月份為春雨季，約占全年降雨量的25%；5－6 月是梅雨季，約占35%；7－9 月為雷雨季，約占20%；10月到第2 年的2 月秋冬少雨，約占全年降雨量的20%。

圖3 閩北各氣象站多年平均月降雨量

3.1.2 閩北降雨量空間分布特征。由圖4 和圖5 可以看出，在空間分布上，閩北多年平均降雨量總體上表現(xiàn)為由中心向四周遞增的趨勢，其中以閩北的北部和西部地區(qū)尤為集中。北部和西部地區(qū)則以武夷山市、光澤縣和邵武市為代表，其多年平均降雨量分別為1926.8mm、1937.5mm 和1840.9mm；中部和東部地區(qū)降雨量最少，其中，位于東部的政和縣和松溪縣的年平均降雨量僅為1628.2mm和1654.1mm。各區(qū)域多年平均降雨量的大小順序為：光澤＞武夷山＞邵武＞順昌＞浦城＞建陽＞建甌＞松溪＞政和。

圖4 閩北各氣象站多年平均年降雨量

圖5 閩北多年平均年降雨量空間分布

3.2 閩北降雨侵蝕力時空分布特征

3.2.1 降雨侵蝕力多年變化特征。利用閩北9個氣象站的多年平均各月降雨量，根據(jù)上面得到的閩北日雨量估算半月侵蝕力模型，計算得到各站年降雨侵蝕力R 值（表2）。30 年來，閩北地區(qū)平均降雨侵蝕力處于5176.69～20700.59 MJ·mm/（ha·h）之間，平均值為12567.88 MJ·mm/（ha·h），最大差異為15523.90 MJ·mm/（ha·h），變異系數(shù)為0.45。

表2 閩北各站降雨侵蝕力R 值

3.2.2 降雨侵蝕力空間分布特征。從空間分布上看（圖6），閩北地區(qū)降雨侵蝕力總體上表現(xiàn)為東部和西部略大，而中部及南北部略小的現(xiàn)象，最大值出現(xiàn)在東部的政和縣，最小值則是位于中部的建陽區(qū)。具體來說，各區(qū)域降雨侵蝕力的大小順序表現(xiàn)為：政和縣＞光澤縣＞邵武縣＞順昌縣＞松溪縣＞武夷山市＞建甌市＞浦城縣＞建陽區(qū)。

圖6 閩北降雨侵蝕力空間分布

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

根據(jù)1981－2010 年閩北地區(qū)9 個氣象站點的逐日降雨資料，利用公式（1）-（5）計算得到了多年月平均降雨量和多年年平均降雨量，并采用克里金法對研究區(qū)降雨量和降雨侵蝕力的時空分布特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

（1）閩北地區(qū)雨季分明，降雨量最大值出現(xiàn)在6 月份，其中，5－6 月是梅雨季，占全年降雨量比例最大，約為35%，10 月－翌年2 月秋冬少雨，約占全年降雨量的20%。從空間上看，閩北多年平均降雨量總體上呈現(xiàn)為由中心向四周遞增的趨勢，其中，位于西北部的光澤縣和武夷山的降雨量較為集中；相比之下，東部的政和縣年平均降雨量最少。

（2）就降雨侵蝕力而言，閩北地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為12567.88 MJ·mm/（ha·h），最大值為20700.59 MJ·mm/（ha·h），發(fā)生地點是閩北東部的政和縣，最小值為5176.69 MJ·mm/（ha·h），處于閩北中部的建陽區(qū)。

4.2 討論

目前，土壤退化得到了世界各國的高度重視，土壤退化不僅產(chǎn)生了諸如土地荒漠化、沙塵暴等一系列環(huán)境問題[9]，同時由于土壤侵蝕退化破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使得生態(tài)系統(tǒng)功能改變，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。在計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時，是以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積的服務(wù)價值為基準(zhǔn)，因此，土壤侵蝕退化對研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及價值均產(chǎn)生影響。而在土壤侵蝕中，雨滴擊濺作用和降雨產(chǎn)生的徑流是重要的影響因素[10]。降雨侵蝕力是代表降雨引起土壤侵蝕潛在能力的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕定量評價模型中[5]。對閩北地區(qū)降雨量和降雨侵蝕力的時空分布特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各區(qū)域降雨量的時空分布大體與降雨侵蝕力的分布相一致（政和縣除外），即降雨量越大的區(qū)域，其降雨侵蝕力越強。值得注意的是，政和縣的多年平均降雨量在各區(qū)域中最少，僅為1628.2mm，但降雨侵蝕力卻最大，這說明政和縣大于12mm 的侵蝕性降雨較其他區(qū)域要多。森林生態(tài)系統(tǒng)具有水源涵養(yǎng)、氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)等多種生態(tài)服務(wù)價值。因此，在今后土地利用規(guī)劃時，政和縣要加大造林綠化力度，提高森林覆蓋率，發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)功能，以減少降雨侵蝕所帶來的土地退化等問題。