廣西降雨侵蝕力時空變化分析

謝坤堅，盧 遠，蔡卓杰，莫建飛

(1.廣西師范學院 地理科學與規(guī)劃學院,廣西 南寧 530001；2.廣西師范學院 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.廣西壯族自治區(qū)氣象減災研究所，廣西 南寧 530022)

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廣西降雨侵蝕力時空變化分析

謝坤堅1，2，盧 遠1，2，蔡卓杰1，莫建飛3

(1.廣西師范學院 地理科學與規(guī)劃學院,廣西 南寧 530001；2.廣西師范學院 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.廣西壯族自治區(qū)氣象減災研究所，廣西 南寧 530022)

降雨侵蝕力；Kriging插值法；氣候傾向率；趨勢系數(shù)；廣西

利用GIS軟件對廣西進行降雨侵蝕力時空變化分析研究，根據(jù)廣西1965—2010年的日降雨量變化數(shù)據(jù)，估算出年均降雨侵蝕力，計算其趨勢系數(shù)和氣候傾向率，并使用Kriging空間插值法生成空間分布圖，結果發(fā)現(xiàn)：廣西的多年平均降雨侵蝕力整體上呈現(xiàn)出從桂東南、桂東、桂東北向桂西北遞減的趨勢；46年間廣西大部分地區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢，小部分地區(qū)呈減小趨勢，減小區(qū)域分布呈雙向弧狀；廣西年降雨侵蝕力變化情況只有4個氣象站點通過了顯著性為0.05的置信度水平檢驗，顯著性氣候變化站點較少。

降雨侵蝕力反映了雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤侵蝕的潛在能力，對土壤侵蝕研究和水土保持工作具有重要意義[1]。國內(nèi)外研究人員關于RUSLE模型中降雨侵蝕力R的計算方法建立了許多模型與算法：1958年Wischmeier等[2]發(fā)現(xiàn)侵蝕性降雨總動能與最大30 min雨強的乘積EI30與土壤流失量的相關性良好，將其作為度量降雨侵蝕力的指標應用于通用土壤流失方程；王萬忠等[3]通過試驗證實EI30計算指標作為降雨侵蝕力指標在中國同樣適用；章文波等[4]建立的基于日雨量的降雨侵蝕力簡易算法模型，可以估算多年平均降雨侵蝕力及降雨侵蝕力季節(jié)變化；黃炎和等[5-6]提出了基于月降雨量的降雨侵蝕力估算模型和年降雨侵蝕力估算模型。研究表明，我國大部分地區(qū)降雨侵蝕力在年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期；降雨侵蝕力的空間分布趨勢與降雨量的空間分布趨勢基本一致，且具有相同的中心；降雨侵蝕力年際波動明顯，存在年際波動的周期等。因此，合理分析與確定一個區(qū)域降雨侵蝕力的大小與分布特征，對區(qū)域土壤侵蝕風險性評價具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 區(qū)域概況

廣西壯族自治區(qū)地處我國華南沿海，地理坐標介于20°54′～26°24′N、104°26′～112°04′E，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，全年氣候溫暖濕潤，水熱條件充足，年均氣溫17～22 ℃，年均降雨量1 250～2 000 mm，是全國降雨最豐富的地區(qū)之一。受冬、夏季風交替作用影響，降雨季節(jié)性分布不均，干濕季分明，雨季主要集中在4—9月，旱季是10月至次年3月，降雨集中程度高，單位時間內(nèi)強降雨容易造成嚴重的水力侵蝕，加上廣西特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，使得廣西成為我國水土流失較為嚴重的省區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以資料序列連續(xù)且不少于40年為原則，選取了1965—2010年廣西88個氣象站點降水氣象要素實測資料，用于計算降雨侵蝕力。數(shù)據(jù)包括各氣象站點的經(jīng)緯度坐標、名稱和日降雨量等基本信息，以及廣西基礎地理信息數(shù)據(jù)?；贏rcGIS平臺，將氣象站點的坐標信息展開生成廣西氣象站點分布圖。各站點均勻分布于廣西各個縣市，能插值計算氣象數(shù)據(jù)。

1.3 年降雨侵蝕力計算模型

本研究采用章文波等[4]建立的用日降雨量估算降雨侵蝕力的簡易模型，計算公式為

(1)

β=0.836 3+18.177/Pd12+24.455/Py12

(2)

(3)

上三式中：M為某半月時段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；Pi為半月時段內(nèi)第i天的侵蝕性日降雨量，要求日降雨量≥12 mm，否則以0計算，閾值12 mm與中國侵蝕性降雨標準[7]一致；α、β為模型待定參數(shù)；k為半月時段內(nèi)的天數(shù)，半月時段的劃分以每月15日為界，前15天作為一個半月時段，剩下部分作為另一個半月時段，這樣將全年一次劃分為24個時段;Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均降雨量，mm；Py12為年降雨量≥12 mm的年平均降雨量，mm。

該模型具有很高的穩(wěn)定性和預測精度[4]，比較適用于我國降雨侵蝕力的計算。根據(jù)計算出的半月降雨侵蝕力能推算出年降雨侵蝕力，計算公式為

(4)

1.4 趨勢系數(shù)與氣候傾向率

趨勢系數(shù)能描述要素長期變化的趨勢和程度，能夠定量給出氣象要素序列的升降變化情況。趨勢系數(shù)為正時說明其降雨侵蝕力序列呈增加趨勢，反之則呈減小趨勢。趨勢系數(shù)(rxt)的計算公式[8-9]為

(5)

式中：xi為第i年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)；x為年均降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)；i為年數(shù)，i=1,2,…,n；t=(n+1)/2。

計算年降雨侵蝕力的變化趨勢時，可以采用最小二乘法計算氣候要素x與時間t的線性回歸系數(shù)b，用一次線性方程表示為x=a+bt(t=1,2,…,n)。以線性函數(shù)中的回歸系數(shù)b的10倍作為氣候傾向率[8-9]。根據(jù)線性回歸理論，利用式(6)可實現(xiàn)從趨勢系數(shù)到氣候傾向率之間的轉換，從而求得氣候傾向率。

(6)

式中：σx為降雨侵蝕力的均方差；σt為時間序列的均方差。

2 插值結果與分析

2.1 降雨侵蝕力的空間分布特征

根據(jù)章文波等[4]提出的簡易模型計算得到的年降雨侵蝕力和各氣象站點的地理信息，使用ArcGIS 10.2軟件中的Kriging空間插值法制作完成了1965—2010年廣西多年平均降雨侵蝕力空間分布(圖1)。廣西多年平均降雨侵蝕力從整體上呈現(xiàn)出從桂東南、桂東、桂東北向桂西北遞減的趨勢，與插值生成的年降雨量的空間分布特征基本一致。在南北方向，年均降雨侵蝕力南部高于北部，有隨緯度升高呈地帶性遞減的趨勢；在東西方向，年均降雨侵蝕力桂東明顯高于桂西。具體來說，容縣—貴港—邕寧—吳圩—扶綏—寧明，自東向西大致形成年均降雨侵蝕力10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值線帶，等值線帶以南是高于10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的高值區(qū)，降雨侵蝕力遠遠高于其他區(qū)域。同時，還分布有3個年均降雨侵蝕力10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值線區(qū)，分別是資源—興安—陽朔—鹿寨—柳城—羅城一帶(桂東北)、金秀—蒙山—昭平—平南包圍一帶(桂東)、忻城—上林—鳳山一帶，它們各自形成了閉合的弧形區(qū)域，是廣西年均降雨侵蝕力的小峰值分布區(qū)域。此外，在桂中地區(qū)形成了一個降雨侵蝕力低值區(qū)，這些地區(qū)被中部弧形山脈(架橋嶺、大瑤山、蓮花山、鎮(zhèn)龍山、大明山、都陽山)自東向西分隔，內(nèi)外氣候差異明顯，同時受東北季風氣候影響降雨偏少，因此年均降雨侵蝕力較低。廣西多年平均降雨侵蝕力多分布在8 000～13 000 MJ·mm/(hm2·h·a)。廣西降雨侵蝕力整體較高，與當?shù)氐慕涤晏攸c和地質(zhì)條件有關，作為引發(fā)土壤侵蝕的重要因素，也說明廣西發(fā)生土壤侵蝕的風險較大。對廣西各地級市年均降雨侵蝕力狀況進行統(tǒng)計，結果見圖2。由圖2知，北海、防城港、欽州三市年均降雨侵蝕力較大，明顯高于其他城市，這與廣西多年平均降雨侵蝕力空間分布規(guī)律(圖1)一致。

圖1 廣西年均降雨侵蝕力空間分布

圖2 廣西各地級市年均降雨侵蝕力

2.2 降雨侵蝕力的變化趨勢

根據(jù)計算出的1965—2010年各氣象站點降雨侵蝕力的趨勢系數(shù)和氣候傾向率，利用氣象站點的坐標屬性信息展開成圖，使用kriging空間插值法生成廣西年降雨侵蝕力趨勢系數(shù)和氣候傾向率的空間分布圖(圖3、4)。

根據(jù)趨勢系數(shù)空間分布情況，廣西大部分地區(qū)年降雨侵蝕力呈增加趨勢，小部分地區(qū)呈減小趨勢，減小區(qū)域分布呈雙向弧狀。降雨侵蝕力呈增加趨勢的區(qū)域面積為14.55萬km2，占全區(qū)土地總面積的61.47%；呈減小趨勢的區(qū)域面積為9.12萬km2，占38.53%。在桂北、桂東北和桂南區(qū)域形成幾片集中分布的降雨侵蝕力明顯增加的區(qū)域，年降雨侵蝕力趨勢系數(shù)大于0.04。尤其是防城港市、全州縣、興安縣、灌陽縣的降雨侵蝕力趨勢系數(shù)大于0.15，這說明桂北、桂東北和桂南的一些區(qū)域的土壤侵蝕風險性正在加大，以北部灣與桂東北地區(qū)最為突出。

圖3 廣西降雨侵蝕力趨勢系數(shù)空間分布

圖4 廣西降雨侵蝕力氣候傾向率空間分布

氣候傾向率可以從側面反映廣西1965—2010年降雨侵蝕力的趨勢變化情況。根據(jù)氣候傾向率空間分布情況，桂南、桂北、桂東北的大片區(qū)域降雨侵蝕力明顯增加，占全區(qū)總面積的69%，其中氣候傾向率>200 [MJ·mm/(hm2·h·a)]/10a的土地面積占全區(qū)總面積的20%，這與趨勢系數(shù)變化空間分布基本一致。氣候傾向率呈減小趨勢的區(qū)域主要分布在桂東南、桂西南和桂西北的小片區(qū)域，占全區(qū)面積的20%，氣候傾向率<-50 [MJ·mm/(hm2·h·a)]/10a。廣西年降雨侵蝕力增加趨勢的峰值都偏向東北方向，表明廣西降雨侵蝕力重心有向東北方向遷移的趨勢。

2.3 降雨侵蝕力的變化趨勢顯著性檢驗

1965—2010年廣西88個氣象站中有55個站點年降雨侵蝕力呈增加趨勢，占全部站點數(shù)的62.50%，其中有4個站點通過了顯著性為0.1的置信度水平檢驗， 1個站點(防城區(qū)氣象站)通過了顯著性為0.05的置信度水平檢驗；有33個氣象站點年降雨侵蝕力呈減小趨勢，占全部氣象站點的37.5%，其中有6個站點通過了顯著性為0.1的置信度水平檢驗，占減少趨勢站點總數(shù)的18.18%，有3個站點(崇左、扶綏、梧州站)通過了顯著性為0.05的置信度水平檢驗。通過顯著性為0.1以上置信度水平檢驗的氣象站點數(shù)量占全部站點總數(shù)的11.36%，見表1。由表1可以看出，降雨侵蝕力呈減小趨勢的顯著性檢驗比呈增加趨勢的顯著性檢驗高(檢驗結果呈減小趨勢的站點比呈增加的多)，但這并不能說明年降雨侵蝕力呈減小趨勢，只能表明廣西各站點中呈減小趨勢的站點比呈增加趨勢的站點的顯著性略有優(yōu)勢。同時，總體來說達到顯著性水平0.05置信度檢驗的站點較少，說明廣西年降雨侵蝕力氣候趨勢變化顯著性并不明顯，降雨侵蝕力年際變化仍具有較高的隨機性。

表1 廣西年降雨侵蝕力變化趨勢通過顯著性0.1置信度檢驗的站點信息

3 結果與討論

廣西多年平均降雨侵蝕力整體上呈現(xiàn)出從桂東南、桂東、桂東北向桂西北遞減的趨勢，年均降雨侵蝕力的空間分布特征與年均降雨量的空間分布特征基本一致。容縣—貴港—邕寧—吳圩—扶綏—寧明，自東向西大致形成年均降雨侵蝕力為10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值線帶，以南是高于10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的高值區(qū)；還有3個10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)等值線區(qū)，分別是資源—興安—陽朔等包圍區(qū)域(桂東北)、金秀—蒙山—昭平等包圍區(qū)域(桂東)、忻城—上林—鳳山包圍區(qū)域。

近幾十年來廣西大部分區(qū)域年降雨侵蝕力呈增加趨勢，少數(shù)區(qū)域呈減小趨勢，呈增加趨勢的區(qū)域面積占全區(qū)面積的61.47%，其中以桂南、桂東北一些區(qū)域尤為明顯。從置信度看，通過顯著性為0.05置信度檢驗水平的僅有4個氣象站，占全區(qū)氣象站點總數(shù)的4.5%，說明總體上廣西氣候趨勢性變化并不明顯，具有較高的隨機性。

廣西多年平均降雨侵蝕力在10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)以上，相比全國其他地區(qū)，屬于降雨侵蝕力的高值區(qū)，這與廣西豐富的降雨是密不可分的。46年間降雨侵蝕力呈增加趨勢的區(qū)域面積也超過了六成，這可能對廣西的土壤環(huán)境構成一定威脅，水土流失總量也存在上升的風險，要弄清楚具體的土壤侵蝕情況，未來仍需要進一步調(diào)查與研究。

[1] 陳東東,程路,栗曉瑋,等.基于地統(tǒng)計學的四川省降雨侵蝕力時空分布特征[J].生態(tài)學雜志,2014,33(1):206-213.

[2] Wischmeier W H,Smith D D.Rainfall energy and its relationship to soil loss[J].Transactions American Geophysical Union,1958,39(2):285-291.

[3] 王萬忠,焦菊英,郝小品,等.中國降雨侵蝕力R值的計算與分布(Ⅰ)[J].水土保持學報,1995,9(4):5-18.

[4] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學,2002,22(6):705-711.

[5] 黃炎和,盧程隆,鄭添發(fā),等.閩東南降雨侵蝕力指標R值的研究[J].水土保持學報,1992,6(4):1-5.

[6] 吳素業(yè).安徽大別山區(qū)降雨侵蝕力簡化算法與時空分布規(guī)律[J].中國水土保持,1994(4):12-13.

[7] 謝云,劉寶元,章文波.侵蝕性降雨標準研究[J].水土保持學報,2000,14(4):6-11.

[8] 劉梅,彭曉燕,李進喜,等.1961年至2007年江蘇省高溫氣候特征分析[J].資源科學,2011,33(10):1991-1998.

[9] 王楓葉,劉普幸.酒泉綠洲近45年日照時數(shù)的變化特征分析[J].高原氣象,2010,29(4):999-1004.

(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(41661043)

S157.1

A

1000-0941(2016)12-0050-04

謝坤堅(1992—)，男，廣西梧州市人，碩士研究生，從事土壤侵蝕、GIS與遙感應用方向的研究；通信作者盧遠(1971—)，男，廣西南寧市人，教授，博士，主要從事生態(tài)遙感與土壤侵蝕研究工作。

2016-03-15