隴東地區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空變化特征分析

吳德勇，張 新，李啟權(quán)，馮 強(qiáng)，劉相君，季 柯，翟海江

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130；2 甘肅省慶陽市水土保持管理局，甘肅 西峰 745000；3 甘肅省慶陽市氣象局，甘肅 西峰 745000)

隴東地區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空變化特征分析

吳德勇1，張 新1，李啟權(quán)1，馮 強(qiáng)2，劉相君2，季 柯2，翟海江3

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130；2 甘肅省慶陽市水土保持管理局，甘肅 西峰 745000；3 甘肅省慶陽市氣象局，甘肅 西峰 745000)

【目的】 對(duì)隴東地區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，為認(rèn)知該區(qū)域水土流失規(guī)律和指導(dǎo)水土保持工作提供參考?！痉椒ā?以隴東地區(qū)正寧、寧縣、西峰、鎮(zhèn)原、合水、慶城、華池和環(huán)縣等8個(gè)區(qū)縣氣象站2001-2011年日降雨量資料為基礎(chǔ)，采用日降雨量侵蝕力模型計(jì)算各站點(diǎn)降雨侵蝕力值，探討分析了該區(qū)域降雨侵蝕力的年際變化和年內(nèi)分布特征，并結(jié)合GIS軟件分析了隴東地區(qū)年降雨侵蝕力的空間分布規(guī)律。【結(jié)果】 隴東地區(qū)各區(qū)縣氣象站點(diǎn)年均降雨侵蝕力為1 144.8～2 048.5 MJ·mm/(hm2·h)，且東南部明顯高于西北部；中南部地勢(shì)低洼的寧縣和合水縣由于侵蝕性降雨集中，其降雨侵蝕力值大于東南部年降雨量和侵蝕性降雨量最大、侵蝕性降雨天數(shù)最多的正寧縣。區(qū)域降雨侵蝕力年內(nèi)高度集中，各區(qū)縣氣象站點(diǎn)6-9月降雨侵蝕力占全年的84.4%～88.8%，呈顯著的單峰型分布。區(qū)內(nèi)降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大，各站點(diǎn)年際變率為29.09%～56.55%。趨勢(shì)分析表明，隴東8個(gè)區(qū)縣的年降雨侵蝕力總體呈減小趨勢(shì)，其中華池和環(huán)縣降雨侵蝕力減小顯著 (P<0.05)?！窘Y(jié)論】 隴東地區(qū)年內(nèi)80%以上的降雨侵蝕力集中在6-9月，空間上則由東南向西北遞減，從時(shí)間上看，近年來該地區(qū)降雨侵蝕力呈減小趨勢(shì)。

降雨侵蝕力；日降雨量侵蝕力模型；時(shí)空分布；隴東地區(qū)

土壤侵蝕是黃土高原最主要的自然災(zāi)害問題之一。在影響土壤侵蝕的各種因子中，降雨是最主要的外部動(dòng)力因子[1-2]。降雨侵蝕力(R)是降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能等降雨侵蝕特征的綜合反映[3]，可用來表征降雨因子引起土壤侵蝕的潛在能力。分析區(qū)域降雨侵蝕力的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)土壤侵蝕定量評(píng)估以及揭示氣候變化對(duì)區(qū)域土壤侵蝕的影響具有重要意義，可為合理制定水土保持措施和農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

降雨侵蝕力一般表示為降雨動(dòng)能和降雨強(qiáng)度的乘積[3]。目前世界上普遍使用的降雨侵蝕力指標(biāo)為降雨動(dòng)能E和最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積EI30[4]。但由于計(jì)算EI30所需要的次降雨過程資料獲取難度較大，且計(jì)算過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，許多學(xué)者建立了利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料來估算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易計(jì)算模型，如基于日降雨量、旬降雨量、月降雨量和年降雨量的降雨侵蝕力計(jì)算方法[5-8]。其中由于日降雨量相比旬、月和年降雨量能夠反映更豐富的區(qū)域降雨信息，利用日降雨量計(jì)算得到的降雨侵蝕力的精度明顯高于用年降雨量和月降雨量資料得到的估算結(jié)果[8]。因此，基于日降雨量的降雨侵蝕力計(jì)算方法被廣泛用于各地降雨侵蝕力的估算研究[9-12]。如李良冬等[3]、吳昌廣等[11]、劉斌濤等[12]采用該方法分別對(duì)遼河流域、三峽庫區(qū)以及我國西南山區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。

隴東地區(qū)處于黃土高原腹地，該區(qū)域是黃土分布最集中、黃土特性最明顯、黃土地貌形態(tài)最完備的地區(qū)，也是黃土高原中黃土層最厚的區(qū)域；該地區(qū)西北部為黃土高原中北部草原區(qū)，東南部為汾渭盆地落葉闊葉林人工植被區(qū)，全區(qū)處于半濕潤(rùn)地區(qū)向半干旱地區(qū)轉(zhuǎn)變的生態(tài)過渡帶[13]。區(qū)域內(nèi)主要土壤類型均發(fā)育于馬蘭黃土之上，該成土母質(zhì)組織松散，孔隙多，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性強(qiáng)，遇水極易分散，抗蝕能力差，且沙粒含量較高[14]。這使得隴東地區(qū)成為黃土高原水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是黃河中上游主要輸沙區(qū)和黃河中上游生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。目前，已有學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)不同區(qū)域的降雨侵蝕力進(jìn)行了相關(guān)研究，如楊巖巖等[9]以陜西省靖邊縣榆林風(fēng)沙科學(xué)野外實(shí)驗(yàn)站2007-2009年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了該區(qū)域降雨侵蝕力的年際和年內(nèi)分布；穆興民等[10]對(duì)陜北地區(qū)降雨侵蝕力的季節(jié)差異、年際變化以及空間分布進(jìn)行了分析；李靜等[15]則對(duì)黃土高原不同地貌類型區(qū)的降雨侵蝕力進(jìn)行了分析；然而針對(duì)隴東地區(qū)降雨侵蝕力的系統(tǒng)研究尚未見報(bào)道?；诖?，本研究利用隴東地區(qū)各氣象站日降雨量資料，采用日降雨量侵蝕力模型計(jì)算其降雨侵蝕力，分析近年來該地區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空分布規(guī)律，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、土壤侵蝕定量估算以及合理開展水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為該生態(tài)過渡帶自然環(huán)境演變研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

隴東地區(qū)位于甘肅省東部，習(xí)稱隴東黃土高原，地理坐標(biāo)為N35°14′～37°09′和E106°21′～108°43′，土地總面積27 119 km2(圖1)。區(qū)域海拔為882～2 089 m，地形復(fù)雜，溝壑縱橫；東、西、北面隆起，中南部低緩，呈簸箕型。區(qū)內(nèi)大陸性氣候明顯，年平均氣溫7～10 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 250～2 600 h，年降雨量410～620 mm，且降水時(shí)間集中。土壤類型主要為黃土母質(zhì)發(fā)育而來的黑壚土和黃綿土。全區(qū)土壤侵蝕面積25 050.5 km2，占土地總面積的92.4%；其中水力侵蝕面積達(dá)到23 433.5 km2，占全區(qū)面積的86.4%，占土壤總面積(26 688.5 km2)的93.86%。嚴(yán)重的水土流失，不僅使區(qū)內(nèi)塬面面積不斷縮小，溝壑面積增大，道路毀壞，耕地土層變薄，土壤養(yǎng)分大量流失，糧食產(chǎn)量下降，而且對(duì)黃河下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅。

2 資料來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

利用隴東地區(qū)正寧、寧縣、西峰、合水、鎮(zhèn)原、慶城、華池和環(huán)縣等區(qū)縣氣象站2001-01-01-2011-12-31近11年的日降雨量數(shù)據(jù)資料，計(jì)算各站點(diǎn)的降雨侵蝕力，分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)各年、月降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征。

2.2 研究方法

采用日降雨量模型計(jì)算各站點(diǎn)降雨侵蝕力[8-10,16]，先逐年計(jì)算每個(gè)半月的降雨侵蝕力，匯總后得到各月、各年的降雨侵蝕力。該方法的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段內(nèi)的降雨侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h))，半月時(shí)段的劃分以每月15日為界，每月前15 d作為一個(gè)半月時(shí)段，剩下部分則作為另一個(gè)半月時(shí)段，全年可劃分為24個(gè)時(shí)段；Dj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的日降雨量，該降雨量為侵蝕性降雨，要求Dj≥12 mm[17-18]，否則計(jì)為0 mm；k=1，2，3，…，m，為某個(gè)半月內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)；α和β為模型參數(shù)，與研究區(qū)域的降雨特征有關(guān)，其計(jì)算公式如下：

α=21.586β-7.189 1，

(2)

(3)

式中：Pd12表示日降雨量≥12 mm 的日平均降雨量(即1年中日降雨量≥12 mm的降雨量總和與相應(yīng)天數(shù)之比)，Py12表示日降雨量≥12 mm 的年平均降雨量(即1年中≥12 mm的日降雨量年累加值的多年平均值)。利用ArcGIS軟件地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通克里格法，將各氣象站的降雨侵蝕力值進(jìn)行空間內(nèi)插，繪制降雨侵蝕力空間分布圖。

采用趨勢(shì)系數(shù)法分析近11年各站點(diǎn)降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)[11-12,16]，該系數(shù)是n個(gè)時(shí)刻的降雨侵蝕力與自然數(shù)序列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)，其計(jì)算公式如下[19-20]：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 隴東地區(qū)侵蝕性降雨的分布特征

受季風(fēng)的影響，隴東地區(qū)年均降雨量從東南向西北逐漸降低。由圖2可知，近11年該地區(qū)各氣象觀測(cè)站年均降雨量從東南部正寧縣的607.4 mm逐漸下降至西北部環(huán)縣的397.6 mm。年侵蝕性降雨量的空間分布特征與年總降雨量的空間分布特征基本一致。從圖2可以看出，年平均侵蝕性降雨量從正寧縣的383.8 mm遞減至環(huán)縣的225.1 mm。表1表明，區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)侵蝕性降雨量占全年降雨總量的比例有所不同，變幅為55.4%～63.2%，其中，東南部的寧縣、合水、正寧等縣侵蝕性降雨量所占比例明顯高于西北各縣；從年均侵蝕性降雨天數(shù)來看，正寧為16.6 d，而環(huán)縣不足10 d，這說明東南部地區(qū)大于12 mm的降雨較西北部區(qū)域多，發(fā)生侵蝕性降雨的頻率較高；日均侵蝕性降雨量的空間變化趨勢(shì)明顯不同，正寧、華池和環(huán)縣的日均侵蝕性降雨量在8個(gè)站點(diǎn)中較小，而中南部的寧縣、西峰和合水相對(duì)較大，總體表現(xiàn)為東西北三面低、中南部較高的空間分布趨勢(shì)，其中南部的寧縣日均侵蝕性降雨量最大，達(dá)到26.0 mm。

從表1的月均侵蝕性降雨量來看，自2001年以來，隴東地區(qū)8個(gè)縣區(qū)冬季(12月至次年2月)均無侵蝕性降雨發(fā)生，侵蝕性降雨集中分布于6-9月，該時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨量占全年侵蝕性降雨量的80.4%～85.6%。

3.2 隴東地區(qū)降雨侵蝕力的空間變化

圖3顯示，隴東地區(qū)各站點(diǎn)近11年年均降雨侵蝕力的變幅為1 144.8～2 048.5 MJ·mm/(hm2·h)，其空間分布整體表現(xiàn)為西北低東南高的變化趨勢(shì)。相關(guān)分析表明，近11年年均降雨侵蝕力與年均侵蝕性降雨量、侵蝕性降雨量百分比、年均侵蝕性降雨天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95，0.88和 0.84，均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P=2.52×10-4，3.74×10-3和9.64×10-3)，說明該地區(qū)年均降雨侵蝕力的空間變化趨勢(shì)與年侵蝕性降雨特征的空間分布格局總體一致。

由圖3可以看出，隴東南部地勢(shì)最低的寧縣年均降雨侵蝕力值最大，為2 048.5 MJ·mm/(hm2·h)，其次是中部地勢(shì)同樣較低的合水縣，而東南部年均侵蝕性降雨量最大、年均侵蝕性降雨天數(shù)最長(zhǎng)的正寧縣的降雨侵蝕力值排在第3位。從表1可以看出，正寧縣日均侵蝕性降雨量為23.1 mm，僅略高于北部和西北部的華池與環(huán)縣，但其年均侵蝕性降雨天數(shù)遠(yuǎn)多于其他各縣。寧縣、合水和西峰雖然年均侵蝕性降雨天數(shù)少于正寧縣，但日均侵蝕性降雨量則明顯高于正寧縣，侵蝕性降雨量更加集中。相關(guān)分析表明，除正寧縣外的7個(gè)縣年均降雨侵蝕力與日均侵蝕性降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.82，達(dá)到顯著的正相關(guān)(P=0.02)；日均侵蝕性降雨量與海拔高度接近顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.66，P=0.07)。這表明日均侵蝕性降雨量和地形因素對(duì)區(qū)域降雨侵蝕力的空間分布有一定的影響；地勢(shì)低洼區(qū)域侵蝕性降雨相對(duì)集中，改變了區(qū)域降雨侵蝕力的整體空間分布格局。就研究區(qū)而言，東南部正寧縣較大的降雨侵蝕力主要是由于該地侵蝕性降雨發(fā)生頻率相對(duì)較高所致，其余各縣雖年均侵蝕性降雨量明顯小于正寧縣，但侵蝕性降雨更為集中，因而降雨侵蝕力也較大，尤其是中南部各縣。

3.3 隴東地區(qū)降雨侵蝕力的年際變化

隴東地區(qū)8個(gè)縣區(qū)氣象站點(diǎn)近11年的降雨侵蝕力年際變化特征見表2。

注：**，*分別表示顯著水平為0.01和0.05。

Note:**and * indicate significant differences atP<0.01 andP<0.05,respectively.

由表2可知，隴東地區(qū)降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大，年際變率在29.09%～56.55%。其中降雨侵蝕力年際波動(dòng)最大的是西部的鎮(zhèn)原縣，年際變率為56.55%，降雨侵蝕力最大值為最小值的6.89倍；合水縣降雨侵蝕力年際波動(dòng)最小，年際變率為29.09%，降雨侵蝕力最大值為最小值的2.47倍。整體而言，西北部降雨侵蝕力年際變率大于東南部。從降雨侵蝕力最大值和最小值出現(xiàn)的年份來看，其出現(xiàn)的時(shí)間呈現(xiàn)東南部逐漸晚于西北部的趨勢(shì)。

趨勢(shì)分析結(jié)果表明，隴東地區(qū)各氣象站年降雨侵蝕力的趨勢(shì)系數(shù)為-0.76～0.13，除寧縣外，其余各縣近11年來的降雨侵蝕力總體均呈下降趨勢(shì)，其中環(huán)縣和華池降雨侵蝕力的下降趨勢(shì)分別達(dá)到顯著和極顯著水平。

3.4 隴東地區(qū)降雨侵蝕力的年內(nèi)變化

隴東地區(qū)降雨侵蝕力的年內(nèi)變化與降雨的季節(jié)變化相似。冬春季降雨量較小，近年來無侵蝕性降雨發(fā)生，故冬春季降雨侵蝕力較小而夏秋兩季降雨侵蝕力較大。隴東地區(qū)各區(qū)縣氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力的年內(nèi)變化見圖4。圖4表明，隴東地區(qū)的降雨侵蝕力隨月份的變化呈明顯的單峰型，正寧縣和西峰區(qū)降雨侵蝕力在7月達(dá)到峰值，其余各縣在8月達(dá)到峰值；6-9月降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的84.4%～88.8%，其中寧縣6-9月降雨侵蝕力所占比例最高。從各站點(diǎn)峰值月降雨侵蝕力所占比例來看，以東南部的正寧縣最小，為28.3%，其余各縣為30.8%～40.7%；西北部降雨量和侵蝕性降雨量最小的環(huán)縣其8月降雨侵蝕力占到全年的38.3%。這進(jìn)一步說明了東南部正寧縣與其余各縣降雨侵蝕力誘因的差異，即正寧縣侵蝕性降雨頻率較高，而其余各縣侵蝕性降雨較為集中。

4 結(jié) 論

(1) 隴東地區(qū)年均降雨侵蝕力為1 144.8～2 048.5 MJ·mm/(hm2·h)，其空間變化的總體趨勢(shì)呈西北低東南高。其中中南部地勢(shì)低洼的寧縣和合水侵蝕性降雨集中，導(dǎo)致其年均降雨侵蝕力高于東南部年降雨量和侵蝕性降雨量最大的正寧縣。

(2) 隴東地區(qū)各縣區(qū)降雨侵蝕力年際變率為29.09%～56.55%，年際波動(dòng)較大；2001-2011年11年來該地區(qū)降雨侵蝕力略有減小趨勢(shì)，其中華池縣和環(huán)縣降雨侵蝕力減小趨勢(shì)顯著。

(3) 隴東地區(qū)降雨侵蝕力年內(nèi)分布高度集中，6-9月降雨侵蝕力占全年的84.4%～88.8%，呈顯著的單峰型分布，近11年來冬季均無侵蝕性降雨發(fā)生。從空間分布上看，正寧縣和西峰區(qū)年內(nèi)最大降雨侵蝕力出現(xiàn)在7月，其余各縣均出現(xiàn)在8月。

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Spatial and temporal variability of rainfall erosivity in Eastern Gansu

WU De-yong1,ZHANG Xin1,LI Qi-quan1,FENG Qiang2, LIU Xiang-jun2,JI Ke2,ZHAI Hai-jiang3

(1CollegeofResourcesandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China; 2ManagementBureauofSoilandWaterConservation,QingyangCity,GansuProvince,Xifeng,Gansu745000,China;3MeteorologicalBureauofQingyangCity,GansuProvince,Xifeng,Gansu745000,China)

【Objective】 This study focused on the spatial and temporal variability of rainfall erosivity in Eastern Gansu.【Method】 Based on daily rainfall data during 2001-2011 at 8 meteorological sites including Zhengning,Ningxian,Xifeng,Zhenyuan,Heshui,Qingcheng,Huachi and Huanxian in Eastern Gansu,the rainfall erosivity was estimated using the daily rainfall erosivity model and its spatial and temporal variability was analyzed.【Result】 The rainfall erosivity per year of Eastern Gansu ranged from 1 144.8 to 2 048.5 MJ·mm/(hm2·h),and it declined from southeast to northwest.Due to the concentrated erosive rainfall,erosivities of Ningxian and Heshui in south central part with low elevation were larger than that of Zhengning in southeast with largest erosive rainfall and number of days with erosive rainfall.The rainfall erosivity was highly centralized with 84.4%-88.8% during June to September.The inter-annual variation of rainfall erosivity was large with coefficient of 29.09%-56.55%.Trend analysis shows that the overall annual rainfall erosivities at the 8 meteorological sites had a declining trend in recent years,with significant decrease in Huachi and Huanxian.【Conclusion】 More than 80% of rainfall erosivity in Eastern Gansu happened during June to September.The spatial distribution of annual rainfall erosivity appeared a decreasing trend from southeast to northwest.The annual rainfall erosivity of this area showed a declining trend in recent years.

rainfall erosivity;daily rainfall erosivity model;spatial-temporal characteristics;Eastern Gansu Province

2013-12-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201214)

吳德勇(1965-)，男，四川仁壽人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事水土流失與土壤環(huán)境研究。E-mail:wudeyong_cn@126.com

李啟權(quán)(1980-)，男，四川瀘縣人，副教授，主要從事水土資源與環(huán)境系統(tǒng)模擬研究。E-mail:liqq@lreis.ac.cn

時(shí)間:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.032

S157.1

A

1671-9387(2015)06-0221-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.032.html