长江流域降雨侵蚀力时空变化及成因分析

高 歌，殷水清，陈 涛，黄大鹏，王文婷,5

（1. 中国气象局气候研究开放实验室，国家气候中心，北京 100081；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；3. 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京师范大学地理科学学部，北京 100875；4. 西藏自治区气候中心，拉萨850000；5. 地表过程与资源生态国家重点实验室珠海基地，北京师范大学珠海校区，珠海 519087）

0 引 言

长江流域是中国大江大河水土流失面积最大的流域，2019年中国水土保持公报表明，该流域水土流失面积有34.15万km，占土地总面积的19.07%，其中95.67%为水蚀。流域内涉及长江经济带、三峡库区、丹江口库区及上游、三江源国家公园、西南石漠化地区等多个重点水土流失关注区域以及国家级水土流失中重点预防和治理区。严重的水土流失不仅破坏自然生态环境，毁坏宝贵的耕地资源，还对当地的社会经济可持续发展产生危害。许多自然灾害如：干旱、洪涝、泥石流、滑坡等的发生和加剧与水土流失密切相关。

降雨是引起土壤侵蚀的动力因子之一，降雨侵蚀力常作为衡量降雨导致土壤侵蚀的潜在能力和生态敏感性评价的基础指标，其时空分布特征研究对于区域水土保持规划、农业和生态保护以及灾害控制等具有重要意义。近几十年来，在气候变暖背景下，中国降水变化趋势空间差异明显，降雨日数、强度、极端性等特征均发生变化。长江流域降水变化特点也非常突出，年降水量变化趋势及成因区域差异大。大部分极端降水指数在长江中下游地区呈现增加趋势。降水特征的变化导致降雨侵蚀力改变，进而影响土壤侵蚀，特别是侵蚀严重的流域。

涉及到长江流域、及流域内不同子流域或区域以及不同省份的降雨侵蚀力时空特征及趋势变化已有较多研究，为预防水土流失、制定水土保持规划与决策提供理论依据。但上述研究所用降水资料多来源气象观测站且没有经均一化处理，由于迁站、观测仪器更改、观测环境的变化等原因引起的历史器测资料非均一性问题，会导致相关变化趋势分析结果产生一定的偏差，王秋香等对全国2415站1951－2009年日降水资料均一化前后降水序列趋势分析表明，序列趋势有差异，有必要采用更为科学可靠的数据开展分析。通常采用日资料估算的降雨侵蚀力相对月、年资料而言具有更高的精度，已有研究中采用不同的日降雨侵蚀力估算模型，章文波等建立的半月侵蚀力简易算法模型应用较多，温天福等则采用日降雨侵蚀力模型，引入的余弦函数可反映降雨侵蚀力随季节变化的特点，Chen等主要采用Xie等降雨侵蚀力估算模型。章文波的方法在较高侵蚀力的地区会高估降雨侵蚀力，使用时需要率定才能使用，Chen等将Xie的方法与更为精确的小时模式方法对比，认为Xie的方法公式简洁且估算精度高。已有研究多聚焦时段内总体变化趋势，受研究时段限制，变化趋势及显著性以及分布有差异，如：Qin等研究表明中国1951－2010年降雨侵蚀力总体呈现不显著的增加趋势，但南部红土丘陵地区、西南喀斯特地区呈显著增加趋势；庞延杰等分析表明长江流域1960－2015年年降雨侵蚀力速率增加，大部地区变化趋势具有高度一致性，下游波动程度比上中游大。Chen等研究表明1960－2018年长江流域年降雨侵蚀力增加趋势显著。针对降雨侵蚀力变化主要成因和极端变化特点研究少有涉及。研究侧重降雨侵蚀力与降雨量变化关系，与雨强变化关系研究较少。实际上，降雨侵蚀力描述了各种降雨特征的影响，如雨量、持续时间、雨强等，迫切需要从这几个角度的变化综合探讨降雨侵蚀力的变化成因，对水土保持措施和工程实施也具有参考意义。

本文拟采用长江流域700多个国家级气象站的历史均一化日降水资料，摸清长江及其二级水资源分区年降雨侵蚀力时空特征及变化趋势；首次综合考虑侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强等因子，基于三者与降雨侵蚀力的偏相关关系以及变化趋势一致性分析，探讨降雨侵蚀力变化的成因；通过10年一遇重现期次降雨侵蚀力的变化研究，掌握降雨侵蚀力极端变化空间格局；并试图从总体和极端变化角度综合探讨长江流域土壤水蚀气候危险性空间分布，为长江流域制定针对性精细化水土保护措施和流域治理提供依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

长江流域为世界第三大流域，流域总面积达180.85万km，涉及中国19个省（区、市）。流域内地形呈多级阶梯性变化，地貌复杂，长江蜿蜒流经青藏高原、横断山脉、云贵高原、四川盆地、江南丘陵及长江中下游平原。季风气候特征十分典型，降雨量和暴雨时空分布十分不均，水丰沙富。水土流失主要分布在上中游地区，《长江流域水土保持公报（2006－2015年）》表明上游如：金沙江下游、嘉陵江、沱江、乌江及三峡库区，中游如：汉江上游、沅江中游、澧水和清江上中游、湘江资水中游、赣江上中游、大别山南麓等较为突出。

1.2 数据来源

降水量资料采用中国气象局国家气象信息中心提供的长江流域712个气象观测站1961－2017年的逐日均一化资料进行分析，该资料针对部分站点迁站、观测仪器更改、观测环境的变化等原因引起的非均一性问题进行检测和订正，且经过基本的质量控制。长江流域气象站点分布及二级水资源分区见图1。

1.3 方法

1.3.1 降雨侵蚀力计算

采用Xie方法计算日降雨侵蚀力，公式如下：

式中R为日降雨侵蚀力(MJ·mm/(hm·h))；P为≥10 mm的日降雨量；取值暖季（5－9月）为0.393 7，冷季（10－4月）为0.310 1。基于日降雨侵蚀力统计月、年值，当月缺测天数≥7 d时，该月值缺测，缺测月份≥1时，当年值缺测。常年值为1961－2017年多年平均值。区域平均值采用算术平均方法统计，为保障时间序列的一致性，选择缺测率少于10%的站点进行统计，全流域共有637个站，分布见图1中黑色实心点。

图1 长江流域气象观测站点分布及二级水资源分区Fig.1 Distribution of meteorological observation stations and secondary water resources divisions in the Yangtze River Basin

1.3.2 趋势变化及显著性检验

趋势变化分析采用线性回归方法的斜率作为线性变化速率,正负号反映变化增加（多）或减小（少）。采用Mann-kendall方法进行趋势变化的显著性检验，信度取=0.05，分析时考虑了序列自相关的影响及序列修订。

1.3.3 年降雨侵蚀力变化成因分析

通过Matlab中Spearman秩偏相关系数方法探讨年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强与年降雨侵蚀力的关系，年侵蚀性的雨强计算为一年中日降雨量≥10 mm的侵蚀性降雨总量/年侵蚀性降雨日数。偏相关系数显著性检验，通过计算不存在相关性的概率值，如果＜0.05，则表明偏相关系数显著，否则不显著。选择偏相关系数大且显著的作为主要影响因子，并分析其变化趋势与降雨侵蚀力的一致性，从而探讨年降雨侵蚀力变化的可能成因。

1.3.4 10年一遇次降雨侵蚀力估算方法

10年一遇次降雨侵蚀力这个关键指标在土壤流失方程（Universal Soil Erosion Equation，USLE）和修订版的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Erosion，RULSE）中主要用于量化等高耕作措施对径流量影响和水洼对雨滴击溅的消减作用，也可服务于极端强降雨事件土壤流失的评估。通常，基于逐年最大次降雨侵蚀力序列和极值拟合分布，得到不同重现期的次降雨侵蚀力。鉴于计算需要次降雨过程的详细分钟资料难获取，为解决这个问题，殷水清等研制了同一重现期次降雨侵蚀力与日降雨侵蚀力的线性转换关系，基于10年一遇日降雨侵蚀力乘以系数1.17就可估算。因此，本文基于逐日降雨侵蚀力，挑选历年最大日降雨侵蚀力，采用广义极值分布函数（GEV，Generalized Extreme Value Distribution）进行拟合，分布参数用极大似然法估计，并用Kolmogorov-Smirnov法进行分布拟合优度检验，显著水平取=0.05，计算10年一遇日降雨侵蚀力，然后乘以系数估算同一重现期的次降雨侵蚀力。

2 结果与分析

2.1 降雨侵蚀力空间分布特征

长江流域多年平均年降雨侵蚀力呈现由西北向东南递增态势，空间差异大。中东部超过3 000 MJ·mm/(hm·h·a)，鄱阳湖水系大部、洞庭湖水系东北部和西北部局部、宜昌至湖口的东部、湖口以下干流的西部普遍有6 000～8 000 MJ·mm/(hm·h·a)，其中江西庐山高达11 194.7 MJ·mm/(hm·h·a)，流域西北部较小，青海五道梁站最小为244.0 MJ·mm/(hm·h·a)（图2）。年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强与年降雨侵蚀力空间相关系数分别达0.96、0.86和0.8。

图2 1961-2017年长江流域年降雨侵蚀力多年平均值空间分布Fig.2 Distribution of average annual rainfall erosivity in the Yangtze River Basin from 1961 to 2017

长江流域多年平均年降雨侵蚀力呈现中游最大，上游最小的分布态势，上游与实际水土流失严重情况不是很匹配，表明除了降雨外，下垫面和人类活动也对水土流失起重要作用。就二级水资源分区而言，上游的金沙江石鼓以上最少；中游的鄱阳湖水系最多，为最少区域的11.6倍。年侵蚀性的降雨量分区分布与年降雨侵蚀力基本一致，降雨日数最多出现在鄱阳湖水系，其次为洞庭湖水系，雨强最强出现在中游宜昌至湖口, 其次为鄱阳湖水系（表1）。

表1 1961-2017年长江流域及二级水资源分区年降雨侵蚀力与年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强平均值Table 1 Normals of annual rainfall erosivity, erosive rainfall，rainy days and rainfall intensity of the Yangtze River Basin and its secondary water resources divisions during 1961-2017

2.2 年降雨侵蚀力变化趋势和成因分析

2.2.1 全流域

长江流域年降雨侵蚀力最大、次大值出现在2016年和1998年，最小值在1978年，最大值约为最小值的2倍，年侵蚀性降雨量变化与之非常一致（图3a）。年侵蚀性降雨日数和雨强最大值分别出现在2016年和1998年，侵蚀性降雨雨强2007年以来持续高于平均值（图3b，3c）。年降雨侵蚀力与年侵蚀性的降雨量、降雨日数、雨强相关系数分别为0.95、0.76和0.77。就年代际变化而言，20世纪60－80年代以及21世纪00年代年降雨侵蚀力较多年平均值偏小；90年代和2011－2017年偏大，其中后一时段为近几十年最大，主要得益于同期侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强同步类似变化。

图3 1961-2017年长江流域平均年降雨侵蚀力和年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强历年及年代际变化Fig.3 Time series and interdecadal changes of average annual rainfall erosivity and erosive rainfall, erosive rainy days and rainfall intensity in the Yangtze River Basin during 1961-2017

2.2.2 空间分布

长江流域年降雨侵蚀力变化速率呈增加的站点比例为71.6%，趋势显著的比例为10.5%。除嘉陵江上游部分地区、岷沱江大部、乌江下游、汉江上游及其东北部的局地减少且个别站点减少趋势显著外，其余大部变化速率均为增加，其中中游的洞庭湖水系、鄱阳湖水系、宜昌至湖口东部分区以及下游大部地区增加速率大有100～600 MJ·mm/(hm·h·10a)，增加趋势显著的站点分布较散，湖口以下干流和太湖水系两地区的北部较多。实际水土流失发生的主要区域，近几十年来年降雨侵蚀力有不同程度的增加（图4a）。年侵蚀性降雨量变化趋势空间分布与年降雨侵蚀力的基本一致，趋势显著的站点仅有8%（图4b）。年侵蚀性降雨日数变化趋势由西向东呈现增多、减少、增多的态势，增多和减少站点比例各半，长江流域中部以减少为主，长江流域下游、鄱阳湖水系北部、金沙江局部等地增加速率普遍有0.5～1 d/10a，显著增加的站点多分布在太湖水系（图4c）。流域79.3%的站点年侵蚀性雨强呈现增加，且趋势显著的比例有16.8%，流域中东部区域增加速率普遍有0.2～0.5 mm/(d·10 a)；仅岷沱江南部速率减少（图4d）。

图4 1961-2017年长江流域年降雨侵蚀力、年侵蚀性降雨量、降雨日数和降雨雨强变化速率及趋势显著性分布Fig.4 The changing rates and significant of annual rainfall erosivity, erosive rainfall, rainy days and rainfall intensity for the Yangtze River Basin during 1961-2017

2.2.3 二级水资源分区

1961－2017年，全流域年降雨侵蚀力增加速率为111.6 MJ·mm/(hm·h·10 a)，没有通过显著性检验。年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强变化速率均呈增加，其中雨强增加趋势显著。就二级水资源分区而言，年降雨侵蚀力变化速率大多呈现增加，其中洞庭湖水系、湖口以下干流、太湖水系3个分区增加趋势显著，致使长江中、下游总体呈现显著增加趋势，仅岷沱江减少趋势显著。年侵蚀性的降雨量和雨强大多分区呈增加变化，且雨强呈显著增加趋势的区域明显增多，上游有金沙江石鼓以下和乌江区域、中游全部4个分区、下游太湖水系。年侵蚀性降雨日数变化速率，上游以减少为主，其中乌江减少趋势明显；中下游则以增加为主（表2）。

2.2.4 成因分析

年降雨侵蚀力变化主要从侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强这三个降雨特征变化综合寻找成因，可针对不同降雨成因，采取相应的水土保持措施。通过年降雨侵蚀力与三者的偏相关系数和显著性（表3），选择主要影响因子，再结合表2中三者近几十年的变化和显著性及与年降雨侵蚀力变化的一致性，判定导致年降雨侵蚀力变化的主要成因。岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾至宜昌、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、宜昌至湖口、湖口以下干流等8个分区，年侵蚀性的降雨量和雨强与年降雨侵蚀力偏相关系数为正值且显著，为年降雨侵蚀力变化主要影响因子，其中岷沱江因年侵蚀性的降雨量、雨强均呈显著减少趋势，与年降雨侵蚀力显著减少趋势一致，为其主要成因；嘉陵江和乌江，两个主要影响因子中，只有雨强增加变化与年降雨侵蚀力一致，所以为降雨侵蚀力增加变化的主要成因；其余5个分区，年侵蚀性的降雨量和雨强增加变化与年降雨侵蚀力增加变化一致，均为主要成因，且长江中游的洞庭湖水系、鄱阳湖水系、宜昌至湖口分区因雨强增加趋势显著，发挥主导作用。金沙江石鼓以下、汉江、太湖水系和全流域，年降雨侵蚀力与三指标的偏相关系数均显著，仅与年降雨日数偏相关系数为负。其中金沙江石鼓以下和汉江，年侵蚀性的降雨量、雨强增加变化和雨日减少变化均对年降雨侵蚀力增加有利，其中雨强显著增加趋势发挥主导作用。太湖水系，年侵蚀性降雨量和雨强的显著增加趋势均对年降雨侵蚀力的显著增加发挥主导作用。全流域来讲，年侵蚀性降雨量和雨强增加对年降雨侵蚀力增加有利，雨强的显著增加趋势起主导作用。金沙江石鼓以上区域，年降雨侵蚀力与年侵蚀性降雨量正偏相关、降雨日数负偏相关显著，年侵蚀性降雨量增加变化为年降雨侵蚀力增加的主要成因。

表2 1961-2017年长江流域及二级水资源分区年降雨侵蚀力、侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强变化速率和趋势显著性检验Table 2 Changing rates and significant of annual rainfall erosivity,erosive rainfall, rainy days and rainfall intensity of the Yangtze River Basin and secondary water resources divisions during 1961-2017

表3 1961-2017年长江流域二级水资源分区年降雨侵蚀力与年侵蚀性的降雨量、降雨日数和雨强偏相关系数及显著性检验Table 3 Partial correlation coefficients and significant test of annual erosive rainfall, rainy days and rainfall intensity to annual rainfall erosivity in secondary water resources divisions of the Yangtze River Basin during 1961-2017.

2.3 10年一遇次降雨侵蚀力及其变化

为摸清极端强降雨事件对土壤流失的可能影响，以及便于水保工程建设设计参考，本文统计1961－2017年10年一遇次降雨侵蚀力，并与1961－1990年时段进行差值对比。通过Kolmogorov-Smirnov检验，两时段长江流域637个站点均服从GEV分布。

10年一遇次降雨侵蚀力空间分布与年降雨侵蚀力类似，由西向东南递增，流域中东部地区普遍有1 500～3 000 MJ·mm/(hm·h)，嘉陵江中部、岷沱江下游、洞庭湖水系西北部等地的局部以及宜昌至湖口东部、鄱阳湖水系东北部、湖口以下干流的东部有 3 000～5 000 MJ·mm/(hm·h)，江西庐山、四川峨嵋和北川站超过5 000 MJ·mm/(hm·h)（图5a）。

1961－2017年相比1961－1990年，长江流域大部10年一遇次降雨侵蚀力增加站点比例达61.2%，主要分布在洞庭湖水系西部和东南部、鄱阳湖水系东部、宜昌至湖口西部、湖口以下干流西部和东北部、太湖水系北部以及嘉陵江下游局部、乌江流域东南部，普遍有200～1 000 MJ·mm/(hm·h)， 四 川 蓬 溪 增 幅 最 大 为1 826.8 MJ·mm/(hm·h)（图5b）。表明次降雨侵蚀力极端性增强，导致水土流失进一步加剧的可能性增加。减幅较大的区域分布较为分散，岷沱江的东南部、嘉陵江东部局部、宜宾至宜昌西部、宜昌至湖口西部、汉江流域西部和东北部局部等地超过100 MJ·mm/(hm·h)，四川广汉减幅高达1 047.4 MJ·mm/(hm·h)。

图5 1961-2017年长江流域10年一遇次降雨侵蚀力及其与1961-1990年时段的差值分布Fig.5 Distributions of 10-year return period of event rainfall erosivity in the period of 1961-2017 and the difference to the period of 1961-1990 in the Yangtze River Basin

2.4 讨 论

本文研究表明长江流域年降雨侵蚀力变化速率呈现不明显增加，与庞延杰等、Chen等结论一致，变化速率与Chen等的120 MJ·mm/(hm·h·10 a)结论接近，二者差距不大与王秋香等对均一化前后降水序列趋势分析结果类似，变化速率增减值不大，多数站点增减值占原值的比例不足10%，但趋势显著上有差异，这与本文采用的均一化降水资料、站点数、时段序列考虑了自相关影响和修订等有关。

长江流域大部分分区年降雨侵蚀力增加主要是因为年侵蚀性的降雨量和雨强增加，且其中多数分区雨强增加趋势显著起主导作用。年侵蚀性降雨日数仅在金沙江石鼓以上和以下、汉江、太湖水系等区域和全流域负偏相关关系显著，但其作用总体不如年侵蚀性雨强和降雨量。吴昌广等发现三峡库区年月降雨侵蚀力与降雨量之间具有高度的协同性，个别站点例外，还与降雨强度有关，与本文宜宾至宜昌分区成因较为一致。曾瑜等对1961－2014年鄱阳湖流域降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力年际变化和变化趋势研究表明三者存在一致性，但本文发现该流域年侵蚀性雨强的增加趋势也不容忽视。Chen等基于文献推断长江流域大雨和极端降水增加是降雨侵蚀力增加的主要原因，尽管总降雨量在减少，本文认为侵蚀性雨强增加是年降雨侵蚀力增加的主要原因之一，部分区域还起主导作用，与之并不矛盾，大雨和极端降水均在侵蚀性降雨雨强统计范围内。

年降雨侵蚀力增加和10年一遇次降雨侵蚀力的增加都可反映水蚀的可能性加剧，即水蚀的气候危险性增加，总体可分为三种情况，第一类为两者均呈增加，第二类为年降雨侵蚀力增加、第三类为10年一遇次降雨侵蚀力增加。长江流域第一、二、三类情况的站点比例为51.1%、20.4%、10%，3种情况总计为81.5%。就分区来讲，三类情况总计站点比例，金沙江石鼓以上、湖口以下干流、太湖水系达100%，洞庭湖水系、鄱阳湖水系也较高，分别为95.6%和97.4%，其余地区有68.5%～80.3%，岷沱江和宜宾至宜昌较少，也都超过了50%。第一类情况站点比例，乌江、鄱阳湖水系、洞庭湖水系、太湖水系超过60%，太湖水系最大为73.1%，其余区域介于33.3%～58.2%，岷沱江最少，为14.3%（图6）。

图6 1961-2017年长江二级水资源分区不同土壤水蚀气候危险性增加情况站点百分比Fig.6 Percentage of stations with different increase conditions of soil water erosion climatic risk in the secondary water resources divisions of the Yangtze River during 1961-2017

长江流域土壤水蚀气候危险性大范围增加，对水土流失预防和治理十分不利。近些年来，虽然该流域随着水土保持力度加大，整个流域水土流失的范围较1991年第一次水土流失遥感调查有明显减小，但仍有较大范围水土流失面积需要治理，尤其水蚀。长江流域大部地区降雨丰沛，多暴雨中心，加上地形山高坡陡、沟壑纵横、土层浅薄，侵蚀性降雨量增加、降雨日数增多、雨强增大和降雨极端性增强，更易引发泥石流、滑坡等灾害，不仅导致土壤流失更为严重，还对经济发展、人们正常生活和生命安全造成威胁，需要加强对松散山体和危害大的泥石流、山洪沟开展治理，继续巩固退耕还林、封山育林的成果，改善下垫面植被覆盖状况，增强土壤的抗侵蚀能力。坡耕地是长江流域水土流失的主要源地，应继续加强丘陵山区连片坡耕地的治理，配套建设蓄、引、灌、排等小型水利水保工程，提高坡面径流集蓄能力，并注意提高工程质量，避免极端降雨可能造成的破坏。气候变化对降雨侵蚀力的影响和人类活动引起的流域下垫面的改变均可能对流域的土壤环境产生影响。随着社会经济发展，长江流域内人地矛盾也日益突出，应持续加强工程建设和生产建设监督管理，采取水土保持措施，减少人为破坏原生植被造成土壤裸露而加重水土流失的问题。

3 结 论

1）基于均一化降水资料研究表明，1961－2017年，长江流域年降雨侵蚀力和年侵蚀性的降雨量、降雨日数、雨强变化速率均增加，雨强增加趋势明显。20世纪90年代平均年降雨侵蚀力由较常年偏小转为偏大，2011－2017年为近几十年最大，2000－2010年则偏小。

2）大多二级水资源分区年降雨侵蚀力变化速率呈现增加，其中洞庭湖水系、湖口以下干流、太湖水系3个分区显著增加，仅岷沱江呈现显著减少趋势。造成各分区降雨侵蚀力增加变化的成因有差异，大部分分区年降雨侵蚀力增加变化主要是由年侵蚀性降雨量和雨强增加造成的，且其中多数分区雨强起主导作用。年侵蚀性降雨日数仅个别分区作为主要影响因子之一，作用总体不如年侵蚀性降雨雨强和降雨量。岷沱江呈显著减少趋势是由侵蚀性降雨量和雨强共同减少趋势造成。

3）1961－2017年年降雨侵蚀力增加变化和/或10年一遇次降雨侵蚀力后一时段增加，从总趋势和极端变化角度均可能造成土壤水蚀加剧的危险。长江流域水蚀气候危险性增加分布范围广，站点占比多达81.5%，对水土流失预防和治理十分不利，尤其对水土流失的重点关注区。

下一步将关注未来气候变化和极端降水对长江流域降雨侵蚀力的可能影响，稳固已有治理成果，采取针对措施，保障区域生态环境和社会可持续发展。