1980—2013年闽西地区降雨侵蚀力时空变化特征

戴金梅，查轩，黄少燕，陈世发，刘川，王丽园，白永会

(1.福建省亚热带资源与环境重点实验室，350007，福州；2.福建师范大学地理研究所，350007，福州)

1980—2013年闽西地区降雨侵蚀力时空变化特征

戴金梅，查轩†，黄少燕，陈世发，刘川，王丽园，白永会

(1.福建省亚热带资源与环境重点实验室，350007，福州；2.福建师范大学地理研究所，350007，福州)

闽西地区是福建省土壤侵蚀重点防治区，为研究闽西地区降雨侵蚀力的时空分布格局，根据1980—2013年闽西地区9个站点的逐日降雨数据，利用日雨量模型来计算降雨侵蚀力，采用线性回归、气候倾向率、Mann-Kendall检验和反距离加权插值法(IDW)等方法对区域降雨侵蚀力的时空变化进行分析。结果表明：1)闽西地区多年平均降雨侵蚀力为9 504 MJ·mm/(hm2·h)，与降雨量呈极显著正相关(P<0.01)；2)空间上西高东低，与降雨量分布规律基本一致；3)降雨侵蚀力的年内分布主要集中在3—8月，占到全年的80.12%；4)1980—2013年期间研究区降雨量呈微下降趋势，而整体上降雨侵蚀力呈略微增加趋势，但未达到显著水平(P>0.05)，其中其在夏季呈现上升趋势，而在春秋冬3季呈现下降趋势；5)34年内降雨侵蚀力分别在1995和2002年发生突变。该研究可为该区域土壤侵蚀危险性评估和土壤侵蚀治理工作提供依据。

降雨量； 降雨侵蚀力； 时空变化； 闽西地区

降雨引起土壤侵蚀的潜在能力被称为降雨侵蚀力，是一个客观评价由降雨所引起土壤分离和搬运的动力指标。降雨侵蚀力的研究在国外起步较早，W.H.Wischmeier等[1]在1958年提出了通用土壤流失方程USLE来预测和评价水土流失，而降雨侵蚀力因子R指标是首要的基础因子；1978年W.H.Wischmeier等[2]首次用公式R=EI30来计算降雨侵蚀力；之后人们对降雨侵蚀力的研究逐渐展开，G.R.Foster等[3]以降雨量代替动能，也有一部分学者把EI10或者EI60作为R值指标。但是采用这种计算方法需要有连续降雨过程的资料，而这种资料获取难度大且整理繁杂；因此，许多学者开始研究简易算法。1983年C.W.Richardson等[4]利用美国水文站点的日降雨量数据建立了降雨侵蚀力指数模型的简易算法；E.A.Mikhailova等[5]利用年均降雨量和海拔建立起降雨侵蚀力的简易算法。相对而言，降雨侵蚀力在国内的研究起步较晚，王万忠等[6]引入经典算法，证明EI30的组合计算降雨侵蚀力在中国同样可行，黄炎和等[7]、杨子生[8]、吴光艳等[9]纷纷以EI形式，提出了中国各地区的R指标。之后我国学者纷纷开始寻求一个数据获取容易、计算简便、结果贴近实际的算法；章文波等[10]、周伏建等[11]利用年降雨量或月降雨量数据构建简易算法，章文波等[12]根据日降雨量资料建立降雨侵蚀力模型，殷水清等[13]运用小时降雨数据资料估算降雨侵蚀力。这些数据中只有日降雨量数据容易获取，降雨的特征信息详细，用来估算降雨侵蚀力精度比较高，特别是在降水丰富的地区模型的决定系数较大、估算多年平均降雨侵蚀力的相对误差较小[12]。

在全球气候变化背景下，福建省降雨总量、强度增加，小雨强降水减少，这表明其由降雨引起的侵蚀可能进一步增强，开展降雨侵蚀力的计算及其分布研究非常有必要；而福建省西部地区土壤侵蚀严重，是我国土壤侵蚀严重地区之一，合理估算其潜在的土壤侵蚀力对预防水土流失有重要的作用。已有的研究大多是集中在全国或者省区，小区域的降雨侵蚀力研究较少，没有具体分区阐述降雨侵蚀力的变化特征；因此笔者利用闽西9个站点的日降雨量资料，运用日降雨量模型来计算该区域的降雨侵蚀力，以期为闽西地区土壤侵蚀危险性评估、水土流失预报和土壤侵蚀分区治理提供依据。

1 研究区概况

研究区地处福建省西部，称之为闽西，位于E 115°51′～117°45′,N 24°23′～26°02′。该区属于亚热带季风气候，年平均气温14.2～20.7℃，年平均降水量1 450～2 200 mm，70%的降水集中在春夏2季。地势东高西低，北高南低，总面积2万3 096 km2，占全省陆地面积的15.7%，其中山地丘陵面积达到该区的80%，山体海拔多在500～1 000 m之间。

2 数据与方法

2.1 数据获取

本文使用1980—2013年闽西地区9个站点的日雨量数据，站点分布均匀(图1)。

图1 研究区Fig.1 Study area

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蚀力模型 本文采用章文波等[12]提出的日降雨量模型，该模型在降水丰富地区的表现更好，计算的精度相对较高。该模型已经大量的使用，比如珠江流域[14]、西南山区[15]、重庆市[16]等。

式中：Ri为第i个半月时段的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；K为该半月时段内的时间，d；Pj为半月时段内第j天的日降雨量(≥12 mm)；α、β为模型的参数，根据区域的降水量来确定的，其计算公式为：

式中：Pd12为日降雨量≥12 mm的日平均降雨量；Py12为日降雨量≥12 mm的年平均雨量。利用上述公式计算出逐年各半月的降雨侵蚀力，累加得到年降雨侵蚀力。

2.2.2 统计分析方法 气候倾向率是气候要素变化趋势，通常用一次线性方程[17]表示，即

=at+bt=1，2，…，n。

将一次回归系数a×10称为气候倾向率。

Mann-Kendall检验法既可以检测序列的变化趋势也可以进行突变点的检验。它因为具有不受少数异常值的干扰，计算简单等优点，被广泛运用在气候要素的检验中[18]。据Mann-Kendall检验原理，当正序列统计量UF>0时，表明序列呈现上升趋势，当UF<0时，表明序列呈现下降趋势；当曲线超出0.05显著水平置信区间时，表明上升或下降趋势显著。如果正序列统计量UF和反序列统计量UB 2条曲线出现交点，且交点在置信区间则对应时刻就是突变开始时间。具体的计算步骤详见文献[19]。

根据各站点多年平均降雨侵蚀力值，采用反距离加权插值法(IDW)生成降雨侵蚀力的空间分布。采用一元线性回归分析降雨侵蚀力的时间变化特征。再利用M-K检验分析与气候倾向率来分析该区域降雨侵蚀力的年际变化、未来发展的趋势。

3 结果与分析

3.1 降雨侵蚀力分析

利用日降雨量模型算出逐年各半个月的降雨侵蚀力值，累加得到年降雨侵蚀力值。闽西地区多年降雨侵蚀力值变化范围为6 160～1万4 310 MJ·mm/(hm2·h)，平均值为9 504 MJ·mm/(hm2·h)。多年降雨侵蚀力与多年降雨量之间呈正相关关系，R2达到0.95，二者为极显著正相关(P<0.01)。降雨侵蚀力与降雨量的变化基本一致，但是没有完全的一致；因为在研究降雨侵蚀力的时候只考虑侵蚀性降雨(降雨量≥12 mm)引起的土壤侵蚀，有些年份虽然降雨量多，但是侵蚀性降雨少，降雨侵蚀力小(图2)。

图2 降雨侵蚀力与降雨量相关关系Fig.2 Correlativity between rainfall erosivity and precipitation

3.2 降雨侵蚀力时间变化

3.2.1 年内变化 闽西地区降雨侵蚀力主要分布在3—8月，占全年的80.12%，其中6月的降雨侵蚀力是一年中最大的，占全年降雨侵蚀力的18.21%；最小降雨侵蚀力出现在12月，占全年的1.66%。如图3所示，降雨量和降雨侵蚀力的变化基本一致，出现2个峰值，在7月出现1个谷值。

图3 多年平均降雨量及降雨侵蚀力Fig.3 Multi-year average precipitation and rainfall erosivity

从表1可以知道，1980—2013年降雨量和降雨侵蚀力基本上是同增同减。减少最多的是3月，降雨量减少速率是42.7 mm/10 a，降雨侵蚀力减少速率318.9 MJ·mm/(hm2·h·10 a)；增加最多是6月，降雨量增加速率36.4 mm/10 a，降雨侵蚀力增加速率245.8 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。夏季的气候倾向率是正值，其他3个季节是负值。综合全年来看，降雨量的气候倾向率是-7.3 mm/10 a，降雨侵蚀力的气候倾向率是72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。

3.2.2 年际变化 1980—2013年平均降雨侵蚀力为9 504 MJ·mm/(hm2·h)，由图4可知，该区降雨侵蚀力波动幅度较大，在1983和2006年出现2个高的峰值，2个低值出现在1991和2004年，振幅达到8 150 MJ·mm/(hm2·h)，年际变化大。总体来说，降雨侵蚀力呈现略微增加的趋势，倾向率达72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)。

表1 多年月平均降雨量及降雨侵蚀力气候倾向率Tab.1 Climate tendency rates of monthly multi-year average precipitation and rainfall erosivity

图4 多年平均降雨侵蚀力及3年滑动平均Fig.4 Multi-year average rainfall erosivity and average moving of 3 years

图5为闽西地区降雨侵蚀力的Mann-Kendall突变性检验结果，降雨侵蚀力正序列统计量UF和反序列统计量UB曲线都在0.05显著性水平临界线内，1995年之前降雨侵蚀力是呈下降趋势，在1995—2002年有小幅上升的趋势，从2002—2012年呈现下降的趋势，2012年开始有上升的趋势。在置信区间内，UF与UB有9个交点，突变点出现在1995和2002年前后，1995年开始降雨侵蚀力有小幅上升趋势，2002年开始降雨侵蚀力有明显的下降趋势。

图5 降雨侵蚀力突变分析Fig.5 Mutation analysis diagram of rainfall erosivity

3.3 降雨侵蚀力空间分布特征

运用ArcGis软件的空间分析模块中反距离加权插值法(IDW)，得到闽西地区多年年均降雨侵蚀力空间分布等值线图(图6)。降雨侵蚀力在空间上分布西高东低，高值区在西北部，低值区在东北部，闽西北部等值线分布密集，说明降雨侵蚀力的变化幅度大。

图6 多年平均降雨侵蚀力空间分布图Fig.6 Spatial distribution maps of multi-year average rainfall erosivity

表2是各站点降雨侵蚀力34年间变化趋势表。在季节上来说，夏季是上升趋势，基本上春秋冬季是下降趋势。夏季大强度的暴雨数量增多，小雨强的降水减少，使得降雨侵蚀力整体呈上升趋势，夏季要提高土壤侵蚀的关注度。从全年来看，除宁化、中山2个站点外，其他站点的降雨侵蚀力呈上升趋势，说明闽西地区的潜在土壤侵蚀的能力呈增大趋势，要加大水土保持措施的布设，从而减少土壤侵蚀。

4 讨论

降雨侵蚀力R值是影响福建省水土流失的主导因子之一[20]，闽西地区又是水土流失重点防治区，了解该区降雨侵蚀力时空分布特征，为水土保持提供依据。在上文中，降雨侵蚀力与降雨量、降雨强度有显著相关，与吴昌广等[21]得出的结论一致。降雨侵蚀力年内分布出现2个峰值，这与闽西地区的地理位置有关。根据中国东部雨带的推进过程[22]，从5、6月雨带北上，闽西地区雨季开始，到7、8月闽西地区出现伏旱现象；但由于该时段台风带来大强度的降雨，尤其是8月登陆福建省的台风次数最多，因此造成7月出现谷值，而8月出现小峰值[23]。降雨侵蚀力年际变化趋势上，夏季呈现增长趋势，这与登入福建省的台风次数增多有关[23]；春、秋、冬3个季节出现减少趋势，这与降雨量的减少相关。综合来看，降雨量呈现微下降趋势，但是降雨侵蚀力出现增加趋势。这与中国降雨量变化特征相关，降雨量总体上没有很显著的变化，但是强降水事件特别是极端降水事件明显增加，小雨事件显著减少[24]。

表2 各站点季节性降雨侵蚀力气候倾向率Tab.2 Climate tendency rates of seasonal rainfall erosivity in each site MJ·mm/(hm2·h·10 a)

降雨侵蚀力在空间上分布呈西高东低，福建省地势由沿海向内陆呈现低—高—低—高的分布[25]。闽西东部地区，正好处于中部山脉的背风坡，降雨反而较少，降雨侵蚀力低；而闽西西部地区，武夷山的迎风坡，降雨多，降雨侵蚀力大。除宁化、中山2个站点外，其他站点的降雨侵蚀力呈上升趋势，其中东兴、永安2个县区的上升趋势最明显，应重点关注。针对降雨侵蚀力上升的县区，要大力加强对土壤侵蚀治理措施的研究，把土壤侵蚀治理与脱贫致富结合起来；政府加大资金的投入，防治土壤侵蚀，减少对人民生产生活的影响。降雨侵蚀力是反映降雨对土壤侵蚀的潜在能力，不能等同于水土流失的能力，所以在制定水土保持措施的时候，还要综合考虑人类活动等因素。

5 结论

1)闽西地区降雨侵蚀力平均值为9 504 MJ·mm/(hm2·h)；年内主要分布在3—8月，6月的降雨侵蚀力最大；年际变化上降雨侵蚀力以72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a)的速度，缓慢增长，其中夏季呈上升趋势，春秋冬3个季节呈下降趋势。降雨侵蚀力在1995和2002年出现突变点，1995年之后出现小幅上升，2002年呈现下降趋势。6月潜在土壤侵蚀可能性最大，同时夏季降雨侵蚀力呈上升趋势，综合来看，夏季潜在土壤侵蚀压力较大，应该加大水土保持措施的布设。

2)降雨侵蚀力与降雨量二者存在极显著相关，空间分布上基本一致，呈西高东低，高值区在西北部，低值区在东北部。降雨侵蚀力大的空间要更多的关注降雨造成的土壤侵蚀，加大植被恢复力度，从而减少土壤侵蚀。

3)本研究为闽西地区土壤侵蚀危险评估及水土保持措施布设提供一定的依据；但是，如果本文能增加站点与年份，可以使结论更加有价值。降雨侵蚀力的日雨量模型虽然适用于南方地区，但与闽西实际降雨侵蚀力还有一定的差距。通过野外径流实验与降雨观测数据，推求闽西地区降雨侵蚀力简易计算模型，从而精确估算降雨侵蚀力，是需要进一步深入研究的方向。

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Spatial and temporal variations of rainfall erosivity on West Fujian during 1980 to 2013

DAI Jinmei1,2，ZHA Xuan1,2，HUANG Shaoyan1,2，CHEN Shifa1,2，LIU Chuan1,2，WANG Liyuan1,2，BAI Yonghui1,2

(1.Subtropical Fujian Province Key Laboratory of Resources and Environment,350007,Fuzhou,China; 2.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China)

[Background] Rainfall erosivity is for assessing the potential ability of rainfall on soil erosion.A regional soil erosion prevention and controlling work have a guiding significance.Water erosion is one of the important forms of soil erosion in Fujian province.[Methods] To study the space-time distribution of West Fujian rainfall erosivity pattern,based on the 1980-2013 daily rainfall data of nine weather stations in West Fujian region and using the Daily Rainfall Erosion Force Model to calculate the rainfall erosion force,then methods of linear regression,climate tendency rate,Mann-Kendall test methods and the spatial interpolation methods were applied to analyze the spatial and temporal variations of rainfall erosivity.[Results] 1) The range of annual rainfall erosivity in the West Fujian was 6 160-14 310 MJ·mm/(hm2·h) with an average value of 9 504 MJ·mm/(hm2·h),the amplitude of 8 150 MJ·mm/(hm2·h),average rainfall erosivity was very significantly and positively correlated with the average rainfall.2) There was a spatial distribution pattern of annual rainfall erosivity and it was greater in the western area and less in the eastern area of the studied area,rainfall erosivity of high value area was in the northwest and low value area was in the northeast.The spatial distribution of average annual rainfall erosivity was similar to that of average annual precipitation; nine counties of rainfall erosivity in ascending order,respectively:Ninghua > Dongxing > Guanyinqiao > Zhongshan > Yongding > Shanghang > Yangjiafang > Zhangping > Yong′an.3) The rainfall erosivity concentrated in rainy season (March to August),which contributed 80.12% of the whole year.During the year the distribution curve of rainfall erosivity showed bimodal type,peak for June and August.Rainfall erosivity changed in a positive trend,including January,May,June,July,August,October,November,and December,which was the most obvious in June.Meanwhile,the declining trend of rainfall eruption included February,March,April,and September,which was the most obvious in March.4) The rainfall erosivity showed upward trend in summer,but downward trend in other periods.The annual change of rainfall erosivity indicated that rainfall and rainfall erosivity showed downward trends.Rainfall to changes in the rate of decline in 7.3 mm in every 10 years,and the climate rate of rainfall erosivity was 72.7 MJ·mm/(hm2·h·10 a).5) The abrupt change of rainfall erosivity occurred in 1995 and 2002,respectively,and rainfall erosivity had a slight upward trend since 1995,and from 2002 it had the obvious downward trend.[Conclusions] Soil erosion in the West Fujian is the key prevention area on soil and water erosion,and the government should increase attentions on it.The results of the study provide the basis for the regional soil erosion prediction,the regional risk assessment of soil erosion,and soil erosion management work.

precipitation; rainfall erosivity; spatial-temporal changes; West Fujian region

2016-07-22

2017-06-25

项目名称：国家科技支撑计划项目“强度侵蚀区退化生态系统修复关键技术的研发与集成”(2014BAD15B02);国家重点研发计划“南方红壤低山丘陵区水土流失综合治理”(2017YFC05054)

戴金梅(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀和水土保持。E-mail:djm19921020@163.com

†通信作者简介：查轩(1961—)，男，博士生导师，研究员。主要研究方向：水土保持与生态恢复。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)04-0001-07

10.16843/j.sswc.2017.04.001