1961—2019年江西省降雨侵蝕力時空變化分析

鄭瀟　白淑英　高吉喜

摘要 降雨侵蝕力（R）與降雨量、降雨歷時、降雨強度、降雨動能有關(guān)，反映了降雨特性對土壤侵蝕的影響，是影響土壤侵蝕的重要因素之一．本文利用1961—2019年江西省25個氣象站點的逐日降雨量數(shù)據(jù)，基于降雨侵蝕力模型，通過Mann-Kendall相關(guān)檢驗、小波分析和Kriging空間插值方法，分析江西省降雨侵蝕力空間分布及變化趨勢．結(jié)果表明：江西省年均降雨量和降雨侵蝕力從贛南到贛北逐漸增加，同時降雨空間分布和降雨侵蝕力空間分布具有相似性;春季和夏季降雨侵蝕力在3 000～6 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，且春季降雨侵蝕力最大值高于夏季，而秋冬季降雨侵蝕力明顯小于春夏季;江西省年降雨侵蝕力平均最大值分布在贛北區(qū)域，其次為贛中，贛南最小，侵蝕力由北向南逐漸遞減．研究表明江西省因降雨導(dǎo)致侵蝕力不斷增加，尤其以春夏季更為劇烈，其空間分布存在明顯差異．關(guān)鍵詞 降雨侵蝕力;降雨量;Mann-Kendall相關(guān)檢驗;小波分析

中圖分類號S157.1

文獻標志碼A

0 引言

降雨是引起土壤侵蝕的動力因子之一，降雨侵蝕力常作為衡量降雨導(dǎo)致土壤侵蝕的潛在能力［1］，其時空特征研究對于區(qū)域水土保持規(guī)劃、災(zāi)害控制［2］以及生態(tài)敏感性指標評價具有重要指導(dǎo)意義［3］．當前全球氣候變化大背景下，極端氣候事件發(fā)生的概率明顯增多［4］，在某種程度上增加了土壤侵蝕的風(fēng)險［5］，帶來的風(fēng)險包括洪澇災(zāi)害［6］等造成重大損失．降雨侵蝕力R值作為表征降雨對土壤潛在侵蝕能力的特征值，自20世紀50年代中后期提出并應(yīng)用于通用土壤流失方程（USLE）以來，逐漸成為目前研究土壤水蝕對降雨變化響應(yīng)的最佳選擇［7］．分析降雨侵蝕力時空變化規(guī)律，以及對后續(xù)土壤侵蝕力評估和水土整治等過程有利于采取針對性措施制止或減緩降雨侵蝕．

降雨侵蝕力的計算是由Wischmeier等［8］提出的，它利用次降雨動能和降雨強度的乘積來計算，其優(yōu)勢在于計算精度高，但數(shù)據(jù)要求也高，需要長序列連續(xù)性降雨，處理過程繁瑣、耗時．國外學(xué)者將降雨侵蝕與農(nóng)作物、徑流等結(jié)合并分析降雨侵蝕造成的影響．Johannsen 等［9］通過降雨侵蝕力研究奧地利不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)對土壤侵蝕的影響;Anderson等［10］研究降雨徑流對溝壑的侵蝕過程，并得出溝壑、降雨和植被之間的相互關(guān)系;Azari等［11］針對氣候變化對河流土壤資源和泥沙負荷的關(guān)系，利用回歸方程得出降雨量增加會導(dǎo)致泥沙負荷提高的結(jié)論．國內(nèi)學(xué)者利用日、月、年降雨量計算降雨侵蝕力模型［12-14］，且計算方式得到廣泛應(yīng)用［15］．溫天福等［16］利用駐日降雨資料采用TFPW-MK法分析流域降雨侵蝕變化規(guī)律，指出侵蝕力增加會引發(fā)水土流失風(fēng)險加劇;周琳等［17］基于日降雨侵蝕模型分析了降雨侵蝕與山地、平原之間的相關(guān)性，以及降雨侵蝕與四季變化之間大小關(guān)系;索笑穎等［18］根據(jù)時間和空間侵蝕突變點分析了侵蝕季節(jié)變化和地形變化;曾瑜等［19］基于樹立統(tǒng)計及空間插值技術(shù)研究了降雨侵蝕力分配特征，給出了降雨侵蝕力整體分布格局．

江西屬于典型的中部平原、四周環(huán)山區(qū)域，贛南地區(qū)多以山地和丘陵為主［20］，并且全省分布較廣的第四紀紅壤，土壤質(zhì)地黏重、透水性差極易造成水力侵蝕［21］，是全國水土流失最嚴重的省份之一．本文基于日降雨氣象資料，利用降雨侵蝕模型，結(jié)合克里金（Kriging）插值、Mann-Kendall突變性檢驗、小波分析等方法研究1961—2019年江西省降雨侵蝕力時空演替特征及變化規(guī)律，以期為后期水土流失監(jiān)測與防治、環(huán)境保護等提供技術(shù)支撐．

1 研究區(qū)域概況

江西省位于中國東南部，在長江中下游南岸，地處中亞熱帶，季風(fēng)氣候顯著，四季化分明．江西省的主要河流為贛江、撫河、信江、饒河和修水，流域面積達到16.22萬km²，這5大水系又以鄱陽湖為中心，經(jīng)鄱陽湖集納后流向長江．鄱陽湖是中國最大的淡水湖，贛江流域面積79 173 km²，是長江最重要的支流之一．江西境內(nèi)水熱條件差異較大，多年平均氣溫自北向南依次增高，南北溫差約3 ℃;年降水量1 300～2 100 mm，地區(qū)分布上是北多南少，東多西少，且降雨的年際變化很大，空間分布差異十分明顯，多雨與少雨年份相差也較大，大約50％的蒸發(fā)發(fā)生在7月中旬到11月，氣溫與降雨的變化是導(dǎo)致江西旱澇頻發(fā)的原因之一．

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降雨量是表征氣候特征的最基本要素．江西省1961—2019年25個站點的降雨量數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：／／data.cam.cn），站點分布均勻（圖1），數(shù)據(jù)可靠．利用Kriging空間插值方法可以推算出該區(qū)域氣候要素情況，該方法在我國降雨量研究上有很好的擬合優(yōu)度［22］．本文采用Kriging空間插值方法生成年均降雨量和降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)．

2.2 降雨侵蝕力（R）

2.3 Mann-Kendall相關(guān)檢驗

2.4 小波分析

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量與降雨侵蝕力時空分析

3.1.1 江西省降雨量和降雨侵蝕力年際分析

江西省的降雨侵蝕力和降雨量空間分布變化與該地區(qū)的地形地貌有很大關(guān)系，高程對氣象要素的影響是主要的，復(fù)雜山地環(huán)境則會影響氣象要素的地形空間尺度和分布格局［28］．贛南多數(shù)為丘陵地帶，贛中、北平原地帶相較多［29］，廬山海拔較高，加上贛江和鄱陽湖分布廬山四周，濕潤氣流受到地形阻擋，易形成長時間降雨．因此，廬山降雨侵蝕力比其他地區(qū)大，從贛北向贛南呈依次遞減的空間分布特征．

3.1.2 江西省降雨侵蝕力季節(jié)性分析

降雨分布較為均勻，且春季降雨侵蝕力最大值高于夏季，但夏季降雨侵蝕力最小值高于春季降雨侵蝕力最小值．秋季（圖9）和冬季（圖10）降雨侵蝕力明顯小于春夏季降雨侵蝕力，秋季降雨主要分布在江西西南部（即井岡山和遂川一帶），大部分地區(qū)降雨侵蝕力較為平穩(wěn)，冬季降雨分布在贛北地區(qū)，且由北向南逐漸遞減．贛北地區(qū)降雨量較大，主要原因是受到北方冷空氣向南方偏移的影響．

3.2 降雨侵蝕力檢驗分析

本文運用Mann-Kendall突變檢驗方法對江西省58 a來降雨侵蝕力年際變化趨勢進行突變性檢驗，設(shè)上下顯著性水平為0.05，紅色實線代表UF統(tǒng)計量，藍色虛線代表UB統(tǒng)計量．通過圖11可知：1970年后UF大于0，表明降雨隨年際變化有增加趨勢，且在1996—2006年超過0.05的顯著性水平檢驗;1970—1990年存在多次震蕩相交，1990年之后逐漸平緩，表明江西省的降雨侵蝕力在1970—1990年發(fā)生顯著突變．根據(jù)Mann-Kendall變異系數(shù)和Z值空間插值分析降雨侵蝕力分布情況（圖12），各站點變異范圍在0.25～0.38之間，各地區(qū)變化差異比較明顯，以廬山為代表的贛北地區(qū)，以德興、上饒和玉山為代表的贛東北地區(qū)和以寧都為代表的贛南地區(qū)變異系數(shù)相對較大，而贛西南和西北地區(qū)變異系數(shù)相對較小，主要原因是贛北地區(qū)降雨變化不穩(wěn)定，而贛南和贛西南地區(qū)降雨相對穩(wěn)定，且變異系數(shù)基本小于0.3．由降雨侵蝕力統(tǒng)計量Z值得出，除贛州、廣昌、波陽和寧都的降雨侵蝕力表現(xiàn)出降低的趨勢外，其余各站點都表現(xiàn)出增長趨勢．但是，無論降低還是增加的變化，統(tǒng)計量|Z|<1.96，均未通過顯著性檢驗，侵蝕力均表現(xiàn)為不顯著的變化趨勢．

圖13為1961—2019年江西地區(qū)降雨侵蝕力小波分析［30］結(jié)果，圖中紅色代表降雨強度變化顯著，越接近藍色，則表示降雨強度變化穩(wěn)定．由圖13可見，年際降雨量在時間尺度上存在復(fù)雜的周期結(jié)構(gòu)變化，在降雨演變的過程中，降雨強度也存在5～10 a、3～6 a的周期變化規(guī)律，在1970年后生成6 a左右的震蕩周期，其中在5～10 a中存在4次震蕩，3～6 a中存在5次震蕩．小波系數(shù)為正值時，表明降雨強度提高;小波系數(shù)為負值時，表明降雨強度明顯減弱．1970—1975年小波系數(shù)逐漸增加，降雨強度增大;1975—1980年小波系數(shù)逐漸減小，降雨強度逐漸下降．

4 討論

降雨對于降雨侵蝕力而言是主要的因素，江西省降雨量與降雨侵蝕力呈現(xiàn)正相關(guān)，和夏正兵［31］對黃河流域降雨侵蝕力研究、伊力哈木·伊馬木［32］對新疆維吾爾自治區(qū)降雨侵蝕力研究結(jié)論一致．因此，針對不同降雨資料選擇不同的降雨侵蝕力模型，可以得出大致相同的降雨侵蝕力結(jié)果．

江西的土壤類型以紅壤為主，再加上江西降雨分布不均，超過70％的降雨量發(fā)生在4—9月之間［33］，但降雨侵蝕力較強地區(qū)分布在贛北一帶，其次是贛中，最后是贛南．產(chǎn)生的原因有：1）不同地區(qū)所處的季風(fēng)帶不相同;2）地區(qū)高程的大小影響季風(fēng)的走勢，進而造成降雨量的不同．贛北地區(qū)降雨侵蝕力在春夏季出現(xiàn)峰值，原因在于地處亞熱帶季風(fēng)氣候，受大陸季風(fēng)影響，導(dǎo)致春夏季降雨侵蝕力增強．另外，并非所有的降雨都會帶來侵蝕影響，尤其是生態(tài)脆弱性區(qū)域和氣候影響顯著地區(qū)．

5 結(jié)論

本文以江西省為研究對象，從時間和空間上分析了降雨侵蝕力的變化趨勢，得到以下結(jié)論：

1） 江西省年降雨侵蝕力空間分布趨勢為由贛北向贛南逐漸遞減，年平均降雨量與年平均降雨侵蝕力分布基本一致．隨著降雨量的增加，降雨侵蝕力逐漸增大;隨著地貌地形的變化，降雨侵蝕力也有相應(yīng)改變．

2） 春季和夏季（3—8月）降雨侵蝕力波動較大，侵蝕力較高地區(qū)主要分布在贛北及贛東，且春季降雨侵蝕力的最大值高于夏季降雨侵蝕力的最大值，夏季降雨侵蝕力波動較小，降雨侵蝕分布比夏季降雨侵蝕力均勻;秋冬季降雨侵蝕力明顯小于春夏季降雨侵蝕力，秋季降雨主要分布在江西西南部，大部分地區(qū)降雨侵蝕力較為平穩(wěn)，而冬季降雨分布在贛北地區(qū)，主要原因是受到北方冷空氣的影響．

3） 根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗、變異系數(shù)和Z值以及小波分析表明，1970年后降雨雖然有增加趨勢，但是變化不顯著，且變化范圍在0.25～0.38之間．通過小波分析可得在1990—1995年UF與UB變化方向一致，且UF在1995年超過0.05顯著水平．空間分布上，吉安、樟樹站點Z值平均超過1，其余站點小于1，說明吉安和樟樹區(qū)域年降雨變化較顯著，且降雨侵蝕分布贛北>贛中>贛南．因此，江西省應(yīng)該進一步加強對贛北區(qū)域進行水土防治工作，減少降雨引起的水土流失危害．

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Spatial-temporal variation of rainfall erosivity in Jiangxi province from 1961 to 2019

ZHENG Xiao BAI Shuying GAO Jixi

1School of Remote Sensing ＆ Geomatics Engineering，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

2Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Ecology and Environment，Nanjing 210042

Abstract As one of the important factors affecting soil erosion，rainfall erosivity （R） is related to rainfall characteristics of amount，duration，intensity，and kinetic energy.Using the daily rainfall data of 25 meteorological stations in Jiangxi province from 1961 to 2019，we analyzed the spatial distribution and variation trends of rainfall erosivity in Jiangxi province via rainfall erosivity model，as well as Mann-Kendall correlation test，wavelet analysis and Kriging spatial interpolation.The results showed that the annual average rainfall and rainfall erosivity varied similarly in spatial distribution，which were gradually increased from southern Jiangxi to northern Jiangxi;the rainfall erosivity in spring and summer ranged from 3 000 to 6 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，which was significantly higher than that in autumn and winter，with the maximum rainfall erosivity occurring in spring;the average annual rainfall erosivity in Jiangxi decreased from north to south，which maximized in northern Jiangxi and followed by central Jiangxi then southern Jiangxi.The research shows that the rainfall-induced soil erosion was increasing in Jiangxi province，especially in spring and summer，and there were obvious differences in their spatial distribution.

Key words rainfall erosivity;rainfall;Mann-Kendall correlation test;wavelet analysis