河南省降雨侵蚀力时空变异特征

吴明作，何瑞珍，安树青，杨喜田，张军

(1.河南农业大学林学院，450002，郑州;2.南京大学生命科学学院，210093，南京)

河南省降雨侵蚀力时空变异特征

吴明作1，何瑞珍1，安树青2，杨喜田1，张军1

(1.河南农业大学林学院，450002，郑州;2.南京大学生命科学学院，210093，南京)

利用河南省119个气象台站自建站始至2003年的逐日降雨量资料，计算其所代表县(市)的逐年与平均降雨侵蚀力，并利用GIS等工具分析河南省降雨侵蚀力的时空变异特征。结果表明：河南省多年年均降雨侵蚀力总体趋势是由北向南递增，最大值出现在南部的新县、鸡公山、商城与桐柏、平舆，其值均超过7 000mJ·mm/(hm2·h·a);河南省多年年均降雨侵蚀力排序结果可分为5个区域等级，基本与等值线一致;河南省各地的降雨侵蚀力在不同年份变异较大，FFT(快速傅立叶变换)表明无明显的年际周期性规律;河南省降雨侵蚀力的年内变化趋势表现为单峰型，侵蚀主要发生在7—9月份，集中度在北部区域均超过60%;河南省降雨侵蚀力与年侵蚀性降雨量或年侵蚀性降雨量和逐日侵蚀性降雨量之间存在极显著的线性相关性，相关系数分别为0.967 2和0.994 2。

降雨侵蚀力;时空变异;GIS;排序;集中度;河南省

降雨侵蚀力反映了降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是计算水土流失的重要因子之一［1-3］，国内外许多学者对其进行了研究，多数研究探讨了降雨侵蚀力的不同算法及其实例应用［4-6］，如利用常规气象资料的简化算法［6-7］、不同算法的比较与分析［7-9］，以及采用GIS工具研究其时空格局特征［10-11］。对河南省降雨侵蚀力也进行了算法［12-13］、变异特征［13-14］、土壤侵蚀评估等研究［15］，但所用资料或者局限于某一区域，或者年度较短［3，5，10，14］，或者只针对空间、时间的单一变化［16-19］，难以阐明较大范围与较长时间的变异特征。笔者采用河南省119个气象站点自建站至2003年间不同年限的逐日降雨量资料，在GIS工具的支持下，分析所代表县(市)的年降雨侵蚀力的空间变异格局，并采用排序方法划分基本变化区域，同时对年降雨侵蚀力年际与年内的时间变化特征进行比较分析，以期为河南省土壤侵蚀预测、水土保持规划与决策、流域分区治理与管理等提供参考依据。

1 研究区概况

河南省位于 E110°21'～116°39'，N31°23'～36°22'之间，面积16.7万km2，属大陆性季风气候，年平均气温稳定在14℃左右，大致由北向南、由西向东递增，年平均降水量600～1 200mm，时间与空间分布不均匀，5—8月占全年降水量的70%以上，淮南降水最多达1 200mm，黄淮之间700～900mm，豫西、豫北山地在600～700mm之间。

2 研究方法

2.1 数据来源

自河南省气象局收集了河南省内119个气象站点自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年间的逐日降雨量资料，各台站气象资料年限为11 a的25个、19 a的7个、20～30 a的4个，其余的均在30 a以上，50 a以上有11个，最长的为53 a。

2.2 数据处理方法

采用半月逐日雨量模型计算降雨侵蚀力。先逐年计算各半月的降雨侵蚀力，汇总后得到各月、各年降雨侵蚀力和多年平均降雨侵蚀力，计算公式［6，20］如下：

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，mm，要求日降雨量≥12mm，否则以0计算，12mm与侵蚀性降雨标准对应;α，β为模型参数，根据区域降雨特征进行计算;Pd12为日降雨量≥12mm的日平均降雨量，mm;Py12为日降雨量≥12mm的年平均降雨量，mm。

计算出降雨侵蚀力后，采用相关指标来分析其变化特征。其中，变化倾向率以每10 a的变化量表示，即降雨侵蚀力与时间系列一元直线回归斜率的10倍［16］，集中度采用连续3个月降雨侵蚀力之和占当年降雨侵蚀力的比例表示［20］。

数据处理过程中，采用Microsoft Excel 2003软件进行一般计算与回归分析，利用GIS工具绘制空间等值线图，采用Canoco for Windows 4.5软件进行排序、ForStat 2.1进行聚类与趋势面分析，采用OriginPro 8.0软件进行年际变化周期性的FFT(快速傅里叶变换)分析。分析过程均采用各软件缺省值。

3 结果与分析

3.1 降雨侵蚀力的空间分布特征

不同区域的模型参数值α、β有较大差异。经计算，参数 α的取值在0.56～1.91之间，平均为1.27;参数 β的取值在1.40～1.66之间，平均为1.49。与参数α相比，参数β区域变化的空间差异相对较小。

利用各站点模型参数计算所代表县(市)的降雨侵蚀力，在GIS工具支持下绘制的降雨侵蚀力空间分布格局见图1。结合各站点经纬度与ForStat 2.1工具进行趋势面分析，结果见图2。

由图1可知，河南省多年平均降雨侵蚀力的空间变异较大，这与许多报道［16-20］一致。图2与图1的结果基本一致，河南省的降雨侵蚀力随纬度增加(由南向北)逐渐减轻，随经度变化不太明显，但在较高纬度(北部)区域，随经度增加(由西向东)有所增加，其分布特征与雨量分布及由此引起的土壤侵蚀均一致［14-15，20］。故可认为：河南省降雨侵蚀力空间变化的基本趋势是由北向南递增，并在北部区域由西向东递增，在南部和中南部地区较大，在北部、西部和西北部边缘处较低，西南部、中部处于中等水平;在南部的新县、鸡公山、商城、桐柏与平舆等地形成降雨侵蚀力的最高值中心，侵蚀力值均在7 000mJ·mm/(hm2·h·a)以上，在中南部的南召、方城、社

图1 河南省降雨侵蚀力空间分布格局(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．1 Spatial distribution pattern of rainfall erosivity in Henan Province

旗与南部的唐河、泌阳、信阳一带形成降雨侵蚀力较高值，侵蚀力值在5 000 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之间，在西部的三门峡、灵宝、卢氏、洛宁，北部的济源、焦作、沁阳、偃师一带形成降雨侵蚀力的低值中心，侵蚀力值在 2 300mJ·mm/(hm2·h·a)左右。

图2 河南省降雨侵蚀力空间变化趋势面分析(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．2 Spatial trend analysis of rainfall erosivity in Henan Province

利用降雨侵蚀力数据，由ForStat 2.1进行聚类(采用最短距离、系统聚类)，由Canoco for Windows 4.5进行DCA排序(数据经平方和转换)，结果见图3。可知，因采用指标有所不同，排序结果图与等值线分布图基本一致但稍有差别，结合聚类结果与具体数据综合分析，除个别站点外，自左至右基本上对应了降雨侵蚀力由小到大的变化趋势，并可分为以下9个区域。

1)区域Ⅰ～Ⅳ：主要为河南省西部与西北部地区，降雨侵蚀力 ＜3 500mJ·mm/(hm2·h·a)，多数在2 000mJ·mm/(hm2·h·a) 以下。

2)区域Ⅴ：主要为南阳盆地，降雨侵蚀力在3 500mJ·mm/(hm2·h·a) 左右。

3)区域Ⅵ：包括的地区范围较大，主要为河南省北部、中部与东部平原地区，降雨侵蚀力变化范围也较大，多数在 3 500 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之间。

4)区域Ⅶ～Ⅷ：主要为河南省南部的驻马店与信阳地区，降雨侵蚀力较大，多在5 500～6 500mJ·mm/(hm2·h·a)之间，少数在 6 500 ～7 000mJ·mm/(hm2·h·a)之间。

5)区域Ⅸ：主要为河南省南部的信阳地区与南阳的桐柏县，为降雨侵蚀力最大值所在区域，其值均超过 7 000mJ·mm/(hm2·h·a) 。

可见，也可采用聚类与排序方法进行降雨侵蚀力的区域划分，从而有利于水土流失的区域划分与分区治理。

3.2 降雨侵蚀力年际变化特征

因地点太多，故依据等值线图与排序图以及聚类结果，并结合河南省实际情况，沿京广线、陇海线并重点考虑西部山区，选取如下14个站点进行时间变化分析：平原区域由北向南的安阳、郑州、民权、许昌、驻马店与东部省界的永城、固始，西部山区由北向南的焦作、灵宝、汝阳、西峡、淅川(为南水北调水源地)、桐柏、新县。各地点资料年限均在40 a以上，且分别位于河南省的北、中、东、西北、西南、南各个区域，基本可以代表河南省的情况。

图3 河南省降雨侵蚀力排序结果Fig．3 Ordination result of rainfall erosivity of different sites in Henan Province

各地点不同年份的降雨侵蚀力以及相关的各项统计特征指标见表1。可以看出，各地点降雨侵蚀力的年际变化很大，最大值与最小值的比值、最大值与平均值的比值、变异系数和倾向率均较大，但与平均值没有对应关系，在空间格局中也没有规律性。

表1 降雨侵蚀力年际变化统计特征Tab．1 Yearly change of statistic characters of rainfall erosivity in Henan Province

河南省降雨侵蚀力的变异系数在18.9%(新郑市)～88.7%(西平县)之间变动，平均44.9%，空间分布上大致有3个高值中心：中部驻马店地区的西平、上蔡、平與等地，多数均在60%以上;沿黄河地区原阳、巩义、武陟、修武等地，以及东北部地区的濮阳、浚县、台前等地，其值多在50%以上，其他地区除少数外均在50%以下;较低值多出现在商丘地区及其向许昌延伸一带，以及西南部、南部的南阳、信阳等地。

倾向率值在-2 376.6(兰考县)～2 432.9(遂平县)之间变动。所有地点中，降雨侵蚀力可能增加的占46.2%，可能减少的占53.8%，但趋于恶化的地区仍然较多，在水土保持规划与水土流失治理时应引起重视。

除个别地点外，降雨侵蚀力最大值与平均值的比值、最大值与最小值的比值基本上均表现出与变异系数较一致的变动特征，凡变异系数出现高值的地点，其2个比值也较大(但只有最大值与平均值的比值与变异系数的相关系数达到0.916 6)，而倾向率的变化与上述3个指标的变化并不完全一致，说明单独使用倾向率指标并不能说明一个地区的降雨侵蚀力情况，应结合其他数据使用。

所选取14个站点不同年份降雨侵蚀力变化曲线见图4。可知，各个地点不同年份的降雨侵蚀力均具有较大变化，而且会出现某些年份达到很高水平，所以，在水土流失治理时应引起重视。

图4 河南省不同区域降雨侵蚀力不同年份的变化曲线Fig．4 Yearly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

通过Origin8 Pro的FFT(快速傅里叶变换)分析(hamming算法，平方和法计算振幅)表明，各地点降雨侵蚀力的年际变化并没有明显的同期性，而通过Forstat 2.1时间序列的谐波分析 (矩阵求和法，显著度90%)表明，除灵宝、民权、汝阳、淅川、许昌、永城、郑州有一个约6 a的周期、郑州另有一个约9 a的周期、驻马店另有一个约20 a的周期外，多数地点还有一个约3 a的小周期。3 a的小周期在长期变化上似乎可信度较小，且拟合性较差。从实际值的年际变化(图4)也看不出规律性，故综合分析认为，降雨侵蚀力的年际变化并没有明显的年际同期性，因为降雨侵蚀力主要取决于降雨量与降雨强度，而一个地点的降雨量、降雨强度本身并没有良好的年际变化规律，因此，可以认为，降雨侵蚀力的年际变化基本上是一个随机过程，取决于气象要素的变化。

3.3 降雨侵蚀力年内变化特征

以上述选取的14个代表性地点计算不同月份的多年平均降雨侵蚀力的变化情况，结果见图5。可以看出：河南省内各区域降雨侵蚀力的年内变异规律均是 7—9月份大、其余月份小的单峰型式［10，16］，这与河南省降雨多集中于这几个月份是相关的;但因为该期间降雨的集中程度有差异，表现在降雨侵蚀力的集中程度上也有差别。在北部区域(图5(a))，7—9月份降雨侵蚀力的集中度一般均超过60%，5—10月份的可达90%以上，峰顶较明显;而在南部区域(图5(b))，7—9月份降雨侵蚀力的集中度在65%以下，5—10月份的在90%以下，峰顶较宽。说明在河南省南部区域，因降雨相对较为分散，全年均可能发生较大的水土流失，而在北部区域，因降雨相对较为集中，发生水土流失的时期主要集中在7—9月份。

3.4 降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量的相关性

河南省多年降雨侵蚀力变化范围在2 061.3～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之间，多年平均侵蚀性年降雨量变化范围在353.7～1 038.5mm之间。降雨侵蚀力与年均降雨量间的相关系数为0.967 0，与年均降雨量和多年平均的侵蚀性日降雨量复合的相关系数达0.994 4，均达极显著相关水平，但与多年平均日降雨量的单一相关系数只有0.631 5(图6)。用散点图拟合时，部分地点以乘幂关系较为理想，其相关系数可达到0.712 7，其原因可能与降雨强度有关。

图5 河南省不同区域降雨侵蚀力月变化曲线Fig．5 monthly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

对上述14个地点不同年份的降雨侵蚀力与侵蚀性年均降雨量、平均日降雨量进行回归，结果见表2。可知，降雨侵蚀力与侵蚀性平均日降雨量的相关性比较小，难以建立良好的回归式用于预测;但与侵蚀性年降雨量的相关性均较好，其相关系数均在极显著水平上并超过0.91，而与侵蚀性年降雨量、平均日降雨量2个参数的复合相关性也较好，其相关系数在极显著水平上均超过了0.96，因此，可以认为，以侵蚀性年降雨量、平均日降雨量共同预测降雨侵蚀力，可能会比单用其中一个因子的效果要好些。

4 结论与讨论

1)河南省多年平均降雨侵蚀力变化范围在2 061.3 ～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之间，具有较强的时空变异特征，总体趋势为南部、中南部较大，最大值出现在鸡公山、新县、商城、桐柏与平舆等地，年均值超过 7 000mJ·mm/(hm2·h·a);排序结果可分为9个区域，基本上与等值线相对应，聚类与排序方法可用于降雨侵蚀力、水土流失区域划分与分区治理中。

图6 降雨侵蚀力与降雨量之间的相关性Fig．6 Relationship between rainfall erosivity and yearly precipitation

表2 降雨侵蚀力与降雨量之间的相关系数Tab．2 Correlation coefficient between rainfall erosivity and precipitation

2)降雨侵蚀力具有较明显的年际变化动态，无明显的周期性年际变化规律，降雨侵蚀力的变异系数范围在18.9% ～88.7%之间，空间分布上大致有3个高值中心;倾向率的变动范围在-2 376.6～2 432.9之间，但其变化与其他指标并不一致。可知，单独使用倾向率不能说明一个地区的降雨侵蚀力情况，应结合其他指标一起使用。

3)河南省降雨侵蚀力的年内变化均是单峰型式的，北部区域一般峰顶较明显，而南部区域峰顶较宽，在制定水土流失区划、防治或治理分区时应引起重视。

4)降雨侵蚀力与侵蚀性年降雨量、侵蚀性年降雨量和日降雨量复合因子均具有良好的线性相关性，相关系数均可超过0.91并具有极显著水平，但与侵蚀性日降雨量的相关性较小。可知，以侵蚀性年降雨量、平均日降雨量为基础预测降雨侵蚀力要比单独用其中一个因子的效果好。

5 参考文献

［1］Koulim，Soupios P，Vallianatos F.Soil erosion prediction using the Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)in a GIS framework，Chania，Northwestern Crete，Greece［J］.Environmental Geology，2009，57：483-497

［2］Nazzareno D.Estimating RUSLE’s rainfall factor in the part of Itanly with amediterranean rainfall regime［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2004，8(1)：103-107

［3］张荣华，刘霞，姚孝友，等.桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性评价及空间分布［J］.中国水土保持科学，2010，8(1)：58-64

［4］Nazzareno D.Predicting RUSLE(revised universal soil loss equation)monthly erosivity index from readily available rainfall data inmediterranean area［J］.The Environmentalist，2005，25：63-70

［5］郑海金，方少文，杨洁，等.赣北第四纪红壤坡地降雨侵蚀力的计算与分析［J］.中国水土保持科学，2010，8(2)：36-40

［6］章文波，付金生.不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力［J］.资源科学，2003，25(1)：35-41

［7］李璐，姜小三，王晓旭.不同降雨侵蚀力模型在江苏省的比较研究［J］.中国水土保持科学，2010，8(3)：13-19

［8］孙泉忠，王朝军，赵佳，等.中国降雨侵蚀力R指标研究进展［J］.中国农学通报，2011，27(04)：1-5

［9］于泳，高强，高华斌.湖北省降雨侵蚀力时空分布特征初步研究［J］.长江科学院院报，2008，25(3)：18-22

［10］范建容，严冬，郭祥.GIS支持下的长江上游降雨侵蚀力时空分布特征分析［J］.水土保持研究，2010，17(1)：92-96

［11］张坤，洪伟，吴承祯，等.基于地统计学和GIS的福建省降雨侵蚀力空间格局［J］.山地学报，2009，27(5)：538-544

［12］胡续礼，姜小三，杨树江，等.利用日雨量模型进行伏牛山区降雨侵蚀力的初步研究［J］.水土保持研究，2006，13(3)：195-197

［13］吴明作，申冲，杨喜田，等.河南省降雨侵蚀力时空变异与不同算法比较的研究［J］.水土保持研究，2011，18(2)：10-13

［14］边柳，高强，张海军.河南省降雨侵蚀力空间分布特征［J］.中国水土保持，2009(3)：23-24

［15］李军玲，邹春辉.基于GIS的河南省土壤侵蚀定量评估研究［J］.土壤通报，2010，40(5)：1161-1164

［16］刘燕玲，刘滨辉，王力刚，等.黑龙江省降雨侵蚀力的变化规律［J］.中国水土保持科学，2010，8(2)：24-29

［17］罗健，荣艳淑，陈乐，等.广东省1960—2007年降雨侵蚀力变化趋势分析［J］.水文，2010，30(1)：79-83

［18］马良，左长清，尹忠东，等.山东省降雨侵蚀力多年变化特征分析［J］.中国水土保持科学，2010，8(4)：79-85

［19］史东梅，江东，卢喜平，等.重庆涪陵区降雨侵蚀力时间分布特征［J］.农业工程学报，2008，24(9)：16-21

［20］章文波，谢云，刘宝元.中国降雨侵蚀力空间变化特征［J］.山地学报，2003，21(1)：33-40

Spatial and temporal variations of rainfall erosivity in Henan Province

Wumingzuo1，He Ruizhen1，An Shuqing2，Yang Xitian1，Zhang Jun1
(1.College of Forestry，Henan Agricultural University，450002，Zhengzhou;2.School of Life Science，Nanjing University，210093，Nanjing：China)

Rainfall is themain factor that causes soil erosion，and rainfall erosivity is themain dynamic index.So，accurately estimating the rainfall erosivity and analyzing its spatial and temporal variation is the key to predict soil erosion.Using the daily rainfall data of 119meteorological sites in Henan Province from the year the site establishing to the year 2003，this paper calculated the rainfall erosivity of 119 sites in Henan Province，and analyzed its spatial and temporal variation.The results showed that：the yearly average rainfall erosivity in Henan Province generally increases from north to south，and themaximum value appears in Xinxian County，Jigongshanmountain，Shangcheng County，Tongbai County and Pingyu County in the southern part of Henan Province，where erosivity are all above 7 000mJ·mm/(hm2·h·a).According to yearly average rainfall erosivity，Henan Province can be classified 5 regional zones，which are consistent with rainfall erosivity isoline.The rainfall erosivity of all sites varies significantly with different years and has no yearly periodical principle by fast fourier transform(FFT).In one year period，the erosivity shows amono-peak type，andmainly occurs in July to September with the concentration rate of 60%in the northern part.The erosivity has significant relationship with yearly erosion precipitation or the yearly erosion precipitation and daily erosion precipitation，and the correlation coefficient are 0.967 2 and 0.994 2，respectively.

rainfall erosivity;spatial and temporal variation;GIS;ordination;concentration rate;Henan Province

2011-12-15

2012-03-22

国家科技部重大专项“淮河流域水生态功能一级、二级分区”(2008ZX07526-002-03);淮河水利委员会“淮河流域水土保持生态修复机理和评价指标体系研究(伏牛山区片)”(2007-2009)

吴明作(1965—)，男，博士，副教授。主要研究方向：生态系统结构与功能。E-mail：wumingzuo@hotmail.com

(责任编辑：宋如华)