四川省降雨侵蝕力的年內時空變化趨勢特征

周 琳，許武成

(西華師范大學國土資源學院，四川 南充 637009)

四川省位于我國西南腹地，與7省接壤，國土面積48.5 萬km2，是我國土壤侵蝕較為嚴重的區域之一。新中國成立初期，全省土壤侵蝕面積占轄區面積的16.68%，到1988年全省土壤侵蝕面積占轄區面積的41.2%[1]，再到第二次全國水土流失遙感普查土壤侵蝕面積占轄區面積的45.7%[2]。其中四川省的土壤侵蝕以水力侵蝕為主，根據全國第一次水土保持公告，水蝕面積占轄區面積的23.5%[3]，而水力侵蝕的影響面積占轄區面積的87.7%[4]。在引起水力侵蝕的各種因素中，降雨是最主要的因素之一。降雨侵蝕力就是反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是通用土壤流失方程中最基本的一個因子，通常簡稱R值。由于采用R指標計算侵蝕力的方法常以次降雨過程資料為基礎[5]，但該類資料較難獲得和整理，各類年、月等R簡易算法便應運而生，其中利用日雨量估算降雨侵蝕力是目前精度較高的一種方法[6]。日降雨量相較于年、月降雨量，其降雨特征信息更為精準，且日降雨量數據也相對容易獲取。故本文就利用日降雨量數據來估算月降雨侵蝕力，并轉化為相應季節降雨侵蝕力。準確評估四川省降雨侵蝕力的年內時空分布特點，了解其年內季節變化趨勢，掌握其區域規律，對于我省有效地防治土壤侵蝕，制定科學有效的水土保持措施具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所采用的數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，為使研究區域數據更可靠、精準，通過對站點的篩選，最終收集了1955-2015年四川省及其相鄰5省(市)共22個有效氣象站的20-20時逐日降雨資料，包含四川的甘孜、馬爾康、松潘、溫江、理塘、九龍、宜賓、宜昌、萬源、高坪區11個氣象站，青海的玉樹、瑪多、達日、德欽4個氣象站，甘肅的合作、武都2個氣象站，云南的楚雄、麗江、昆明3個氣象站，陜西的漢中和重慶的沙坪壩2個氣象站。

1.2 研究方法

研究選取章文波[7]的根據全國71個代表性的氣象站降雨資料建立的日降雨量半月侵蝕力模型，該模型定義如下：

Ri=α∑kj=1(Pj)β

(1)

(2)

α=21.586β(-7.189 1

(3)

式中：Ri是第i個半月時段的侵蝕力，MJ· mm/(hm2·h)，每月前15 d為一個半月時段，月剩余天數為另一個半月時段；k表示半月內天數；Pj表示半月內第j天的侵蝕性日雨量，要求日雨量≥12 mm，否則以0計算，閾值12 mm與中國侵蝕性降雨標準一致；α、β為待定模型參數；Pd12、Py12為日雨量≥12 mm的日平均雨量和年平均雨量。

計算出半月R值，然后累加成各月及各季R值；再采取Kriging空間插值法進行空間特征分析，運用線性回歸法[8,9]進行時間分析和趨勢分析。對于Kriging空間插值法，本文采用陳東東等[10]研究結論進行，四川省地區利用普通克里格插值方法，采用球狀模型，得到的降雨侵蝕力值結果最優。

2 結果與分析

2.1 年內降雨侵蝕力與降雨的關系

為了分析年內降雨侵蝕力與降雨量的時空關系，分別計算出1955-2015年四川省1-12月的月均R值與月均降雨量和省內11個研究站點月均R值與月均降雨量，前者表示時間，后者表示地域空間，采取線性回歸法構建兩者的關系(圖1)。由圖1可以看出，月均R值與月均降雨量是呈極顯著正相關(r=0.980，p<0.001)，各站點的月均R值與月均降雨量也呈極顯著相關(r=0.940，p<0.001)。也就是說，四川省年內降雨侵蝕力與降雨量無論是在時間還是空間地域上，兩者都成極顯著正相關，年內分布規律較為一致。

2.2 降雨侵蝕力的季節分布特征和趨勢分析

根據國際通用的季節劃分原則，定義3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12-次年2月為冬季。將計算出的各半月降雨侵蝕力累加成四季的降雨侵蝕力，然后運用軟件ArcGis10.3，使用Kriging空間插值法得出春、夏、秋、冬四季的降雨侵蝕力空間分布圖，見圖1。從圖1可看出：

(1)四季降雨侵蝕力的空間分布特征整體上都是從東南向西北逐漸降低，但分布上也有一定差異。首先在極高值區分布上，春季主要分布在川東北地區的達州市和廣安市[1 115～1 327 MJ·mm/(hm2·h)]，夏季主要分布在川東北地區的達州市和川南地區的宜賓市[3 875～4542 MJ·mm/(hm2·h)]，秋季主要分布在達州市北部地區[1 758～2 160 MJ·mm/(hm2·h)]，而冬季降雨侵蝕力的高值區卻輾轉于川南南部的瀘州市和攀西地區南部[30～38 MJ·mm/(hm2·h)]。在極低值區分布上，春、夏、秋三季主要出現在川西高原北部地區，而冬季降雨侵蝕力低值區范圍擴大，幾乎覆蓋整個川西高原。

(2)各季降雨侵蝕力值的差異很大，其中夏季降雨侵蝕力最高，R值主要介于178～4 543MJ·mm/(hm2·h)之間，其次是秋季和春季，R值分別介于26～2 160和8～1 327 MJ·mm/(hm2·h)之間，冬季降雨侵蝕力最低，R值主要介于-0.9～39 MJ·mm/(hm2·h)之間。以上結論表明，四川省降雨侵蝕力在季節空間分布上存在一定的差異，且年內季節分布極為不均，這從表1中也可得到印證，夏季的降雨侵蝕力占了全年的65.9%，其次是秋季和夏季分別占了20.92%、12.71%，而冬季降雨侵蝕力僅占了全年的0.47%。

圖2 四川省各季降雨侵蝕力的空間分布圖Fig.2 Seasonal rainfall erosivity special distribution of Sichuan

季節占年之比/%趨勢線斜率相關系數變化趨勢春季12.7146.86000.825**上升夏季65.90184.0100.752**上升秋季20.9270.91700.784**上升冬季0.472.11680.663*上升

注：表中“**”表示極顯著相關；“*”表示顯著相關。

對春、夏、秋、冬四季的降雨侵蝕力進行線性擬合，求出其趨勢線斜率，見表1。從表1中可看出，春、夏、秋、冬四季的降雨侵蝕力變化趨勢都是呈上升趨勢的，趨勢線斜率均為正值，其中四川省夏季的降雨侵蝕力上升最快，上升速率為184.01 MJ·mm/(hm2·h)，其次是秋季和春季，上升速率分別為70.92和46.86 MJ·mm/(hm2·h)，冬季的降雨侵蝕力上升最慢，上升速率僅為2.117 MJ·mm/(hm2·h)，其季節分布與降雨侵蝕力的四季分布一致；且四川省降雨侵蝕力的上升趨勢在春、夏、秋三季是呈極顯著上升趨勢(p<0.01)，其中又以夏季最為明顯(r=0.825)，但冬季僅呈顯著上升趨勢(r=0.663,p<0.05)。

2.3 各站點降雨侵蝕力年內時間分布特征和趨勢分析

表2是四川省11個站點年內R值分布統計特征。從表2可看出，最大R均值出現在萬源[722.2 MJ·mm/(hm2·h)]，最小R均值出現在甘孜[56.74 MJ·mm/(hm2·h)]，前者是后者的12.7倍；溫江、宜賓、西昌、會理、萬源、高坪6個站點的R均值大于省R均值[308.74 MJ·mm/(hm2·h)]，該6個站點其年內降雨侵蝕力分布也明顯高于全省，剩余5個站點的降雨侵蝕力則明顯低于全省，其中理塘、九龍雖然R均值低于全省，但在其年內仍出現高于省R均值的月R值，而甘孜、馬爾康、松潘其年內月R值都低于省R均值。從表2還可看出，四川省R值年內分布呈單峰型，峰值出現在7月[1 026.56 MJ·mm/(hm2·h)]； 11個站點中，理塘、西昌、溫江、宜賓、會理、高坪區6個站點的降雨侵蝕力年內分布幾乎與全省降雨侵蝕力的分布一致，以峰值在7月并呈單峰型分布；甘孜、松潘、馬爾康、九龍、萬源5個站點降雨侵蝕力的年內分布呈雙峰型，其中僅萬源站第一個峰值出現在7月，其余4個站點第一個峰值均出現在6月，隨即在8月R值出現明顯的下降低谷，然后在9月又出現年內R值的第二個峰值。根據各站點的地理緯度分布不難發現，呈單峰型分布的站點均處在四川低緯度區域，而呈雙峰型的站點除九龍外則均處在四川高緯度區域。

對各站點進行線性回歸擬合，得出省內11個站點的R值均呈上升趨勢，但均沒通過α=0.05的顯著性檢驗，因此這11個站點的R值均呈不顯著上升趨勢。其中，決定系數最大值是攀西地區的會理氣象站(R2=0.053 1)，表明該地區的降雨侵蝕力年內上升趨勢最快，需要做好該地區的水土保持防護工作；宜賓氣象站的決定系數(R2=0.022 9)是省內最低值，表明該地區的降雨侵蝕力年內上升最慢。

表2省內研究站點R值年內分布統計特征
Tab.2StatisticalCharacteristicsofrainfallerosivityinSichuan′sstudysitesduringtheYear

注：表中灰色柱狀表示各站點1-12月R值占比；加粗數值表示≥省R均值308.74 MJ·mm/(hm2·h)。

2.4 各站點降雨侵蝕力年內空間分布特征分析

圖3是四川省各站點降雨侵蝕力占全省全年之比。從圖3可看出，溫江、宜賓、西昌、會理、萬源、高坪6個站點的降雨侵蝕力占比值明顯偏高，占了全省全年降雨侵蝕力的86.38%，其中萬源氣象站占比值為21.02%，是四川省降雨侵蝕力最高的站點；甘孜、馬爾康、松潘、理塘、九龍5個站點的降雨侵蝕力占比值明顯偏低，其中甘孜氣象站占比值為1.65%，是四川省降雨侵蝕力最低的站點。

圖3 四川省各站點R值占省全年之比Fig.3 The percentage of each station’s R value to Sichuan’s total value per year

不難發現，降雨侵蝕力高的站點幾乎都處于東部盆地、丘陵區，降雨侵蝕力低的站點都處于西部高原、山地區，表現出地勢越高，降雨侵蝕力值越低的特征。圖4定量分析了降雨侵蝕力與海拔高度的關系。從圖4可看出，降雨侵蝕力與海拔高度的關系是呈極顯著負相關(r=0.838,p<0.01)，總體上遵循降雨侵蝕力值越大，海拔越低的負比關系，說明降雨侵蝕力的大小受海拔影響明顯，但又不絕對影響。

圖4 省內研究站點降雨侵蝕力與海拔高度的關系Fig.4 Relationship between the rainfall erosivity of station to altitude

3 討 論

四川省降雨侵蝕力的時空分布特征存在著明顯的地域差異和季節差異，這與其所處的地理緯度位置和氣候明顯相關。四川省處在我國第一和第二級階梯上，西部為高原、山地，東部為盆地、丘陵，主要受來自印度洋和西太平洋的西南季風和東南季風、西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓活動及東亞中高緯度大氣環流異常的影響[11]，年內降雨主要集中在夏季且多暴雨，所以降雨侵蝕力在夏季明顯偏高。由于其特殊的地理位置和地貌環境，四川盆地和攀西地區是我省主要暴雨頻發區，所以該區也是我省主要的降雨侵蝕力區。秋季，東亞夏季風強度偏弱，因此秋季降雨減少[11]，降雨侵蝕力值和面積縮小。冬季，川東北地區因受秦嶺和大巴山的阻擋，川西高原因地理緯度過高，冬季風難以抵達，因此川東北地區和川西高原降雨量少，降雨侵蝕力高、低值區出現明顯的異常情況。春季，由于弱夏季風的影響，降雨量開始增多，降雨侵蝕力值和面積也隨之增加。

4 結 語

本文再利用近61年四川省及其相鄰省份22個氣象站點逐日降雨量數據，分析了四川省降雨侵蝕力年內時空變化趨勢特征，旨在更全面地補充四川省降雨侵蝕力時空變化趨勢的認識，得到的主要結論如下：

(1)四川省年內降雨侵蝕力與降雨量無論是時間(r=0.980，p<0.001)還是空間地域(r=0.939，p<0.001)上，兩者都呈極顯著相關，年內分布規律較為一致。

(2)四季降雨侵蝕力變化明顯，夏季最高，占全年65.9%，冬季最低，占全年0.47%，秋季(20.92%)和春季(12.71%)介于其中；各季降雨侵蝕力均是從東南向西北逐漸減低，空間分布差異顯著。

(3)四季降雨侵蝕力的變化趨勢都呈上升趨勢，上升速率大小依次為夏季>秋季>春季>冬季，其中春、夏、秋三季呈極顯著性上升趨勢(p<0.01)，其中又以夏季最為明顯(r=0.825)，冬季呈顯著性上升趨勢(p<0.05)。

(4)省R均值為308.74 MJ·mm/(hm2·h)，省內11個研究站點中，6個站點R均值大于省R均值；四川省年內R值呈單峰型分布，峰值在7月；研究站點中有 6個站點的R值年內分布呈單峰型，峰值在7月，5個站點呈雙峰型，其中4個站點峰值出現在6月和9月，一個站點峰值出現在7月和9月。

(5)四川省內11個研究站點的降雨侵蝕力均呈不顯著上升趨勢，都未通過信度為0.05水平的顯著性檢驗。

(6)省內11個研究站點的降雨侵蝕力年內分布特點總體上遵循降雨侵蝕力值越大，海拔越低的負比關系，降雨侵蝕力與海拔高度呈極顯著負相關(r=0.838,p<0.01)，說明降雨侵蝕力的大小受海拔影響明顯，但又不絕對影響。

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[1] 高艷鵬，譚雪紅，張 巖，等.四川省小流域水土保持措施與土壤侵蝕耦合關系研究[J].水土保持研究，2010,17(2)：6-9.

[2] 毛祥明.四川水電開發項目水土保持監測研究[D].成都：四川師范大學，2009.

[3] 王成棟.四川水土流失綜合治理藍圖繪就[N].四川日報，2017-01-10(11).

[4] 王 瑩,王國強.四川省土壤侵蝕空間分布規律研究[J].國土資源科技管理，2011,28(6)：50-55.

[5] 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.

[6] 李玉泉，徐學軍，曾致遠，等.基于日雨量的降雨侵蝕力模型研究[J].水力與建筑工程學報，2007,5(2)：12-14,34.

[7] 章文波，謝 云，劉寶元.降雨侵蝕力研究進展[J].土保持學報，2002,16(5):43-46.

[8] 張晨招，王智源，劉偉峰.興仁縣近五十年降水變化特征分析[J].地下水，2012,34(3)：147-149.

[9] 賴成光，陳曉宏，王兆禮，等.珠江流域1960-2012年降雨侵蝕力時空變化特征[J].農業工程學報，2015,31(8)：159-167.

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

[11] 劉 慶，詹兆渝，陳文秀.四川暴雨氣候背景分析[J].四川氣象，2004，90(4)：23-26.

[12] 韋小雪，周 渭，黃盼遠，等.東亞季風對西南地區秋冬春連旱的影響分析[J].安徽農業科學，2015,43(28)：154-156,158.