新疆维吾尔自治区1981-2018年降雨侵蚀力的空间变化特征

2020-10-14伊力哈木伊马木

水土保持通报 2020年4期

伊力哈木·伊马木

(新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站,新疆乌鲁木齐 830000)

土壤侵蚀是我国最严重的生态环境问题之一[1]。雨滴击溅和降雨产生径流形成的降雨侵蚀力，是土壤侵蚀的主要动力[1-2]。在中国坡面土壤流失方程CSLE(chinese soil loss equation)[3]等众多土壤流失方程中用降雨侵蚀力(rainfall erosivity)表示降雨因素，可见降雨侵蚀力因子至关重要，其对土壤侵蚀定量研究和揭示气候变化对土壤侵蚀影响有重要意义[2]。降雨侵蚀力因子作为评估潜在降雨侵蚀能力的动态指标，与月雨量及年雨量相比，日雨量包含更详细的降雨特征信息，且较为符合降雨侵蚀力计算要求、估算精度较可靠，因而得到普遍应用[4-7]。国内外学者在降雨侵蚀研究中取得了许多成就，主要体现在两点：①对降雨侵蚀力估算方法的研究，包括基于E·I结构计算方法[8]和基于常规气象资料的简易计算方法2类。基于不同时间尺度的降雨数据，许多学者利用常规气象资料建立了基于日降雨量[6,9]，月降雨量[9-10]年降雨量[11-12]来估算降雨侵蚀力[13-15]。因此，诸多学者[16-17]提出基于日降雨量的多种估算模型[18]，其中幂函数型模型应用最为普遍[19]。②降雨侵蚀力变化特征研究。多在不同的时间尺度和空间尺度展开研究。如国内学者在全国尺度上，章文波[5]，刘斌涛[20]等利用日降水数据，结合线性倾向率指标，分析了全国降雨侵蚀力空间变化情况，进而确定我国降雨侵蚀力变化显著区域。省域尺度上，马良等[21]采用降雨数据分析了江西省1957—2008年降雨侵蚀力的时空变化特征，刘燕玲[22]对黑龙江省降雨侵蚀力开展了研究，得出的结论是该省降雨侵蚀力自西北向中南升高，东部低于中部，空间分布特征与年降雨量空间分布吻合；流域尺度上，刘春利等[23]学者探讨分析了延河流域降雨侵蚀力时空变化特征，结论为该流域降雨侵蚀力与侵蚀性降雨空间分布相一致，降雨侵蚀力总体上呈下降的趋势；时间尺度上，赖成光[24]根据1960—2012年的日降雨资料数据，从年、季节、汛期和非汛期的角度对珠江流域降雨侵蚀力变化特征进行研究，得出流域多年平均降雨量和年均降雨侵蚀力之间具有较强相关性；Huang[25]等使用日值降雨资料数据研究了长江流域1960—2005年的降雨侵蚀力时空变化，得出其趋势在空间上表现出金沙江和鄱阳湖流域显著上升，在时间尺度上则表现出夏冬季节呈显著增加。综上所述，目前国内已有研究主要集中在水土流失典型区，如南方地区[26-28]和黄土高原区[29-30]，但关于干旱区研究较少，特别是缺乏关于新疆维吾尔自治区长时间、整体性的综合分析。近年来在气候变化背景下，西北干旱区气候变化较为显著，降雨处于增加趋势，同时由于新疆地形原因，造成降雨空间异质性[31]较大。因此，开展降雨侵蚀力变化研究在掌握干旱区降雨侵蚀力的变化特征，对区域土壤水力侵蚀的防治有着重要意义。逐日降雨量数据是目前我国面向公众公开的气象站点数据中最详细的雨量整编数据。鉴于很难获取有关次降雨过程数据，同时为达到精确估算降雨侵蚀力的目的，本文以新疆1981—2018年38个气象站日降雨资料为基础，利用日降雨侵蚀力模型计算了其降雨侵蚀力，分析近40 a来新疆降雨侵蚀力的时空变化特征，探讨新疆降雨侵蚀力时空分布格局的影响因素，旨在更好地了解气候变化背景下该区土壤水力侵蚀关键自然因素动态变化趋势，为该区土壤水力侵蚀理论研究和开展水土保持相关实践工作等提供科学参考。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区处于中国西北部，为欧亚大陆中心(34°—50°N，73°—97°E)，面积约1.60×106km2，为典型的温带大陆型干旱气候，年平均气温10 ℃，降水稀少且时空差异显著，年均降水约145 mm。降水在空间上呈现西北高东南低，中四周低的特征，时间上主要集中夏季，并呈现出逐年增加的趋势[32]。地形以盆地和山地为主，呈现三山夹两盆的地形轮廓，天山山脉横贯中部，将新疆分为北部、南部和东部。区内地表景观以山体—绿洲—荒漠为主，沙漠戈壁和裸地面积大[33]，植被主要以灌木、半灌木为主，山区有少量森林和草原[34]。区内土壤类型多样，以风沙土、棕钙土、寒冻土为主，存在普遍的盐渍化和贫瘠化问题[35]。

1.2 资料收集和预处理

收集新疆52个气象站点1981—2018年的逐日降雨数据(来源于中国气象数据共享服务网:http:∥www.nmic.cn/)。针对部分气象站点存在缺漏测的情况，故对气象站点数据资料进行核实，去除年均缺测日数超过5%的气象站点，进而确定出新疆38个有效气象站点，继续对其仍存在少量缺测的数据进行统计，发现约90%处于少雨的4个月份(11—12月，1—2月)，则此部分少量的缺测数据对本研究影响较小。最后，对38个有效测站中剩余月份即影响较大月份的缺测数据，以距离倒数为权重、利用最近相邻3个测站的数据进行空间插值，得到完整的逐日降雨序列数据。为了对新疆降雨侵蚀力空间特征进一步分析，对新疆区域进行分区域统计分析。依据天山以北、以南和以东3部分地区的划分标准[36]，按照新疆气象站点的海拔高度，将新疆划分为平原区(<1 000 m)和山区(≥1 000 m)。除了计算年降雨侵蚀力外，按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年1—2月)四季划分标准，计算对应季节的降雨侵蚀力。

1.3 降雨侵蚀力计算

日雨量模型可直接估算年内各个半月的降雨侵蚀力，可用于深入分析降雨侵蚀力的年内和年际变化，具有月、年雨量模型无法相比的优势。因此，本研究使用日雨量算法模型估算半月降雨侵蚀力[5]，计算表达式为：

(1)

式中：R半月k为第k个半月时段的降雨侵蚀力R值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；m为半月时段天数(d)；Pk为半月内第k天的侵蚀性日雨量值(≥12 mm)，<12 mm以0计算(mm)；以每月第15日划分半月时段，前15 d为一个半月时段，剩余天数作为下一半月时段，这样将全年依次划分为24个时段；α，β为模型参数。

α=21.586β-7.189 1

(2)

(3)

式中：Pd12为日雨量≥12 mm的日平均雨量(mm)；Py12为日雨量≥12 mm的年平均雨量(mm)。采用公式(2—3)计算逐年24个半月降雨侵蚀力，将计算出的各半月降雨侵蚀力累加得到年降雨侵蚀力。

采用新疆38个气象站点日降雨数据，计算出每个站点多年平均降雨侵蚀力。

1.4 倾向率

倾向率表征气候要素长期变化的方向与程度，本文采用倾向率表明降雨侵蚀力的年际变化趋势[19,23]，其计算公式为[37]：

(4)

2 结果与分析

2.1 多年平均降雨量与降雨侵蚀力空间格局

根据新疆1981—2018年的降雨量数据的日降雨数据计算各年份的年平均降雨量，采用使用ArcGIS软件的Kriging插值得到新疆平均降雨量空间分布和年均降雨侵蚀力空间分布图(见图1)。由图1可看出，年均降雨量最高的地区为昭苏，达到509.56 mm，年均降雨量最低为吐鲁番，为15.10 mm，较为明显站点从强到弱排序有昭苏、乌鲁木齐牧试、乌鲁木齐、伊宁、塔城和巴音布鲁克。年均降雨量在空间差异明显，呈现北高于南，西高于东，中部高，南北低，即天山山区高，而其他低的特征。由新疆年均降雨侵蚀力空间分布图分析新疆1981—2018年降雨侵蚀力的空间分异，新疆各站点降雨年均侵蚀力R值的变化范围为1.78～629.49 MJ·mm/(hm2·h·a)，年均降雨侵蚀力R值最大站点在昭苏，最小值在吐鲁番；其中5个站点多年平均降雨侵蚀力R>300 MJ·mm/(hm2·h·a)，较明显站点由强到弱是昭苏、乌鲁木齐牧试、乌鲁木齐、阿合奇、巴里坤地区，可以看出，多年平均降雨侵蚀力空间分布规律与降水量的空间分布规律基本吻合。

图1 新疆1981-2018年年均降雨量和降雨侵蚀力空间分布

近40 a间，天山北部降雨侵蚀力最大值在伊宁市。为1 391.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，其余地区为28.73～1 302.19 MJ·mm/(hm2·h·a)。天山南部最大值地区为阿合奇县，达到了1 239.41 MJ·mm/(hm2·h·a)，其余地区为28.73～1 018.76 MJ·mm/(hm2·h·a)。年均降雨侵蚀力空间差异明显，呈中部高，南北低，既天山山区高，其他区域低的特征。这可能由于该地区侵蚀性降雨强度和发生频率较高的原因导致，尽管其他各县年均侵蚀性降雨量显著小于昭苏，特别是在山区，这表明地形和降雨量是区域降雨侵蚀力的重要影响因素，对空间分布具有显著影响。

2.2 降雨量与降雨侵蚀力年际变化空间分异

由新疆降雨量与降雨侵蚀力年际变化趋势图(见图2)可以看出，降雨侵蚀力与降雨量时间格局与趋势基本趋于一致。

图2 新疆1981-2018年年均降雨量与降雨年均侵蚀力年际变化

降雨量呈波动式增加趋势，增速为9.00 mm/10 a。1981—2018年全疆年均降雨量最高为215.86 mm，最低为101.23 mm；而1981—2018年年均降雨侵蚀力总体呈增加趋势，增速为15.60 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，但降雨侵蚀力年际波动幅度较大。由于年均降雨侵蚀力空间差异明显，所以全疆年平均不高，为158.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，最高为288.58 MJ·mm/(hm2·h·a)，最低为84.11 MJ·mm/(hm2·h·a)，但年际平均降雨侵蚀力波动幅度较大。

将新疆每个站点的降雨侵蚀力1981—2018年际降雨侵蚀力变化倾向率进行对比(见图3)，总体新疆大部分地区降雨侵蚀力呈现增加趋势，少部分地区降雨侵蚀力呈减少趋势，个别地区趋于稳定。乌鲁木齐牧试站、阿合奇站、乌鲁木齐站等24个地区气象站数据显示降雨侵蚀力变化呈现不同程度的正(增加)趋势；沙雅、焉耆、若羌等14个地区气象站数据显示降雨侵蚀力变化呈现负(减少)趋势。总体上天山以北的地区降雨侵蚀力波动范围年际变化倾向率为-5.3～103.4 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，高于天山以南地区的-29.8～71.3〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a。天山以北部的降雨侵蚀力较南部有明显的增加趋势。其中降雨侵蚀力年际变化倾向率最大值为103.4 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，位于山区的乌鲁木齐牧试站；最小值为-29.8〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，位于塔里木盆地的沙雅县。新疆1981—2018年38个有效测站降雨侵蚀力倾向率空间分布整体表现为西北高东南低趋势，降雨侵蚀力倾向率与年平均降雨量的空间格局基本相似，呈北部{平均倾向率30.2〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}高于南部{平均倾向率5.6〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}，山区{平均倾向率34.4〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}高于盆地{平均倾向率8.4〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a}的格局。

图3 新疆1981-2018年年降雨侵蚀力倾向率空间变化

2.3 降雨与降雨侵蚀力季节变化

利用近40 a来春、夏、秋3个季节的降雨量与降雨侵蚀力数据进行统计(图4)，并计算出每个季节的降雨量与降雨侵蚀力的倾向率。由于冬季主要是降雪，因此假设不产生土壤水力侵蚀，所以不进行统计。

图4 新疆1981-2018年降雨量和年降雨侵蚀力季节倾向率

春、夏、秋季节中降雨量倾向率均为正，说明近40 a来3个季节降雨量有增加趋势，夏季的降雨倾向率最高，达到了2.3 mm/10 a。春季和秋季次之，降雨倾向率均为2.2 mm/10 a。在空间上来看，新疆3季降雨量倾向率普遍呈现增加趋势，天山以北地区以春季为主，天山以南地区以夏季为主，新疆东部地区以春、夏季为主(表1)。对近40 a来各个季节的降雨侵蚀力进行汇总(表1)，并分别计算春、夏、秋季节降雨侵蚀力的倾向率，由表可知，春、夏、秋季节降雨侵蚀力的倾向率均为正，说明近40 a来降雨侵蚀力3个季均有增加趋势。其中秋季的降雨侵蚀力倾向率最高，达到了5.6 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，表现为降雨侵蚀力增加趋势最明显。夏季次之，达到5.5 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a，春季为3.2 〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕/10 a。在空间上来看，总体上新疆3季降雨侵蚀力大部分站点呈增加趋势，但北部与南部地区在季节上降雨侵蚀力倾向率有显著区别，新疆北部地区以春季和夏季为主，秋季多数地区呈现减少趋势；新疆南部地区夏季和秋季为主，春季多地区呈现减少趋势；新疆东部降雨侵蚀力夏季主要呈现增加趋势(见表1)。

表1 新疆1981-2018年季节降雨侵蚀力和降雨量的倾向率

2.4 降雨与降雨侵蚀力年内分配

计算各月的降雨量和降雨侵蚀力分别占年年雨量和侵蚀力值的比率，并以此为基础绘制新疆内北部、东部以及南部3个区域多年降雨和降雨侵蚀力的年内分配图。

由图5可知，降雨年内分配呈中央集中格局，但不同区域集中程度不同。全年降雨量占比5%以上月数，在时间持续上看，新疆北部7个月(4—10月)和东部7个月(4—10月)比南部6个月(4—9月)长，但最高降雨量占比，为南部19.78%>东部17.98%>北部17.27%。从降雨侵蚀力年内分布情况可以看出(见图5)，新疆不同地区多年平均降雨侵蚀力年内分配呈不同程度的中央集中格局，但不同区域集中程度不同。全年降雨侵蚀力占比5%以上月数，天山以北地区8个月(4—11月)长于比南部5个月(5—9月)和东部3个月(6—8月)，但最高降雨量侵蚀力占比，东部为53.13%>南部22.17%>北部20.54%。降雨和降雨侵蚀力年份分配格局相似，呈中央集中格局，不同区域集中程度不同。两者不同之处在于，年内集中程度均为降雨侵蚀力高于降雨量。

图5 新疆1981-2018年平均降雨和降雨侵蚀力年内分配

3 讨论

本文研究结果表明新疆总体上多年平均降雨量呈西高东低，中高南北低格局，这与前人研究结果[31]相一致，可解释为研究区受西风环流、北大西洋涛动、地形、地理因素的影响[38]，形成了新疆降水时空分布特有格局。多年平均降雨量和降雨侵蚀力的空间格局相似，这与前人研究结果[29]相一致，这可解释为降雨侵蚀力受降雨量与降雨强度两个因素影响较大[8]，因此表明降雨侵蚀力和降雨量的空间分布具有相似性。有研究表明研究区的降雨量增加主要是降雨强度增加引起[39-40]，所以年际表现为降雨与降雨侵蚀力具有相对一致的波动增加趋势，且增加速率表现为降雨侵蚀力略高于降雨量。

对降雨、降雨侵蚀力和高程相关分析(见表2)，可以看出，海拔≥1 000 m地区的降水量、降雨侵蚀力均与高程呈极显著正相关，降水量的高程效应表现为0.799 mm/m，降雨侵蚀力的高程效应为0.786 〔MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)〕/m，即随海拔升高，降雨量和降雨侵蚀力增加；而海拔<1 000 m的地区，降水量、降雨侵蚀力均与高程的相关性较弱，因而海拔对降雨和降雨侵蚀力的影响较弱。在全国范围和西南地区[26]，黄土高原地区[29-30]降雨侵蚀力空间分布特征与降雨侵蚀力存在高程效应，可见这与前人研究结果相一致。由表2可以看出，研究区降雨量与降雨侵蚀力在海拔<1 000 m与≥1 000 m地区的相关系数分别为r=0.859，p<0.01；r=0.973，p<0.01，表明降雨量与降雨侵蚀力具有呈非常显著的正相关关系，即高程对降雨侵蚀力影响明显，另外天山山区年降雨整体上在地表至4 000 m范围内呈现典型线性增加特征[41]，可能在海拔1 000～4 000 m间地区的海拔对降雨侵蚀力变化影响相对较为明显。多年平均降雨侵蚀力年内分配呈不同程度的集中在“春夏”格局，但不同区域集中程度不同。这可解释为西风环流携带地中海东部的水汽由中亚方向输入[42]，夏季西风将大西洋和北冰洋的水汽携至天山[41]，促进水汽形成时空分异。

表2 新疆降雨量、降雨侵蚀力与高程的关系

降雨量与降雨侵蚀力的时空分布特征相似，但是由于土壤侵蚀还受植被、土地利用和水土保持等多种因素的影响[29]，故时空分布上侵蚀力与实际土壤流失的可能会有差异。近年来，气候变化背景下，新疆降水处于不同程度的增加趋势已经得到众多学者的认同[43]。在气候变化下，研究表明降水的与植被覆盖相关系数为0.8[44-45]，降水增加也会也将会正向影响地表植被。那么可以推测未来在新疆“暖干”—“暖湿”的转变背景下，降雨侵蚀力可能会继续处于增加趋势。虽然降水增加对植被的有积极促进作用，对于水土流失来讲，植被水土保持的作用将会提高[46]，但同时降雨侵蚀力也会增强，所以在气候变化—新疆强降水比重加大背景下[39-40,47]，新疆区域的水力侵蚀，特别是山区水力侵蚀不容忽视。