黑龙江省降雨侵蚀力空间分布研究

李 巍，张文超，毛学刚，赵 林，曲 芳，胡天然，孙 铭，王晓杰，黄辉玲

(1.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨 150022;2.哈尔滨绿色巨农牧业有限公司，黑龙江哈尔滨 150431;3.东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150001;4.黑龙江省水土保持研究所，黑龙江哈尔滨 150078)

降雨侵蚀力是由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一项客观评价由降雨所引起土壤分离和搬运的动力指标［1］。精确估算降雨侵蚀力的方法是根据拟定的降雨侵蚀力指标、计算一定时期内全部降雨的侵蚀力［2］。但现实中由于很难获得所必须的次降雨过程资料，因此一般建立降雨侵蚀力简易算法，即利用气象站常规降雨统计资料如日雨量、月雨量、年雨量、其他雨量参数来估算侵蚀力［3］。Roose于1975年建立的鲁斯法，该方法能对单独一年或多年平均的降雨侵蚀力R值进行估算，Wischmeier等［4］在1959年明确提出了降雨侵蚀指数的概念——降雨侵蚀力指标EI30，并成功应用于USLE以及RUSLE模型。笔者在此利用黑龙江省32个国家基本气象观测站2000～2010年间的逐日雨量资料，采用月雨量模型估算降雨侵蚀力，通过对近11年来黑龙江省降雨侵蚀力的研究，揭示黑龙江省降雨侵蚀力的空间分布特征、年际变化特征和变化趋势，以期为黑龙江省水土保持研究和生态环境建设提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料来源 逐日雨量是目前我国公开发布的气象站最详细雨量整编资料。鉴于次降雨过程资料很难得到，同时尽可能精确地估算降雨侵蚀力，在此利用黑龙江省32个国家基本气象观测站(包括大兴安岭)2000～2010年间的逐日雨量、经度、纬度和海拔高程数据为基本数据。降雨量数据和站点资料来自于中国气象科学数据共享服务网。

1.2 侵蚀性降雨的标准 不是所有的降雨都是侵蚀性降雨，只有一部分产生地表径流的降雨会引起土壤侵蚀称为侵蚀性降雨。侵蚀性降雨的标准是当日雨量≥12 mm。

1.3 降雨侵蚀力的计算 黑龙江省2000～2010年的年降雨量均在340～610 mm的区间波动，不存在干旱和洪涝年，综合考虑研究区的降雨情况，在此采用Wischmeier等［5］在1978年建立的基于月雨量的降雨侵蚀力R值算法。Wischmeier的R值算法简单易用，只要收集到月降雨数据Pi(mm)和年降雨 P (mm)数据即可，其表达式为［5］:R=10［1.5lg(P2i/P)－0.8188］。式中 R 的单位为(MJ·mm)/(hm2·h·a)。此公式中不包括春季由于积雪融化形成的侵蚀。

1.4 降雨侵蚀力的空间插值 在基于GIS技术应用这些不同的插值方法和模型进行空间插值时，选用方法和模型不同，插值的结果往往会有较大的差异。在此利用ArcGIS地理信息分析软件，采用普通Kriging内插方法，分析黑龙江省侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的空间分布，比较降雨侵蚀力和降雨量的关系。由于降雨属于非连续变量，其发生受偶然因素影响，月降雨量资料是对一段时间若干个降雨过程的反映，因此用月降雨量模型计算降雨侵蚀力会有一定误差，且该区域的气象站点分布不均，对插值精度造成一定的影响，但插值结果能够很好地反映降雨侵蚀力的空间分布特征，能够支持完成降雨侵蚀力的空间分布研究［6］。

2 黑龙江省降雨侵蚀力空间分布

2.1 侵蚀性降雨空间分布 经统计，黑龙江省32个气象站日降雨量达到侵蚀性标准的降雨时间为8～15 d/a，其中泰来最低，为8 d/a，其次是漠河和齐齐哈尔，为9 d/a;虎林最高，为15 d/a。黑龙江省各站点达到侵蚀标准降雨日的年均降雨总量为206～391 mm，从图1可以看出，空间上达到侵蚀性标准的降雨时间呈现中南部较高、西北部较低的特点，但在一些地区还是存在明显差别。如安达、富锦、塔河达到侵蚀性标准的降雨时间相同，但达到侵蚀性标准的年降雨量安达比富锦高将近10%，富锦比塔河高将近10%，同样明水、依兰、新林也具有这样的特点。

图1 黑龙江省各站点达到侵蚀性标准降雨日的年均降雨总量空间分布(单位:mm)

在比较各站点达到侵蚀性标准雨日的年均降雨强度时发现，黑龙江省全年降雨量最低的地区位于黑龙江省西部，尤其是西南部地区，如齐齐哈尔、泰来、安达、富裕等地是全省较为干旱地区。对比而言，该地区在侵蚀性降雨区域中属于年降雨强度较高地区，但年降雨总量不高，侵蚀性降雨分布相对集中。从空间上说，达到侵蚀性标准雨日的年平均降雨强度西南部最高、西北部最低。在黑龙江省日降雨量＞12 mm的降雨属于强降雨。根据Groisman等［7］对于全球主要地区降雨特征分析，一个地区年降雨量主要由这个地区降雨强度相对比较高的降雨日决定，年降雨量的变化也主要由降雨强度比较高的降雨日数量的变化决定。对于我国近几十年降雨特征分析，显示出同样规律，日降雨量＜1 mm占年降雨时间的1/2以上，而1年中日降雨量最高的10次降雨约占年降雨量50%以上。黑龙江省降雨特征同样符合全国降雨特征规律。由黑龙江省32个站点多年平均侵蚀性降雨量与年均降雨量的散点图(图2)可以看出，黑龙江省年均侵蚀性降雨量与年均降雨量的线性相关关系十分显著，相关系数r=0.83。

图2 各站点年均侵蚀性降雨和年均降雨量的散点图

2.2 降雨侵蚀力空间分布 从图3可以看出，黑龙江省年均降雨侵蚀力表现出中部较高、东部和西北部低于中部的特征，且呈现出以明水为中心向西北、东南缓慢递减的环状空间分布格局。降雨侵蚀力的分布趋势大致与降雨量(图4)类似;但由于降雨侵蚀力同时受降雨量和降雨强度的影响，降雨侵蚀力和降雨量的年际变化趋势和程度并不完全一致。

图3 黑龙江省多年平均降雨侵蚀力空间分布［单位:(MJ·mm)/(hm2·h·a)］

图4 黑龙江省多年平均降雨量分布(单位:mm)

从表1可以看出，黑龙江省32个气象站多年平均总降雨侵蚀力 R 值为103.22 ～295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，其中，宝清 R 值最小，为103.22(MJ·mm)/(hm2·h·a)，明水R 值最大，达295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，最大值与最小值之间相差近3倍。结合图3，黑龙江省降雨侵蚀力的最高值出现在西南部的松嫩平原地区。松嫩平原地面受流水切割，出现缓岗浅谷的波状起伏。在松花江与嫩江汇流的地带，由于地势低洼、水流不畅以及气候方面的原因，形成了面积较广的沼泽和湿地［8］。松嫩平原是我国重要商品粮生产地区之一，也是水土流失比较严重的地区，降雨侵蚀力反映了降雨因素对土壤侵蚀的潜在作用。黑龙江省降雨侵蚀力比较高的地区与土壤侵蚀比较严重的地区分布大体一致，但形成土壤侵蚀还受土壤、地形、植被等因素的影响，因此，土壤流失量的空间分布与降雨侵蚀力的空间分布并不一致。

表1 黑龙江省各站点降雨侵蚀力R值(MJ·mm)/(hm2·h·a)

2.3 降雨侵蚀力年内分布 降雨侵蚀力与地表植被覆盖的季节变化配合情况，会对土壤侵蚀产生巨大影响，因此需要了解侵蚀力的年内季节分布［5］。计算各站点各月的平均降雨侵蚀力值在年内的分布状况，并以此为基础绘制各站点多年平均降雨侵蚀力的年内分配曲线［9］。黑龙江省各站点年内降雨侵蚀力R值在1～2月份基本为0，3～4月份开始逐步上升，大致在7月份达到最高值，从8月份开始降雨侵蚀力开始逐步下降，到11～12月份降雨侵蚀力又趋向于0，R值主要集中在6～9月份。

图5显示，各站点6～9月份的降雨侵蚀力占全年的81%～98%，其中西部比东部略高。由此可见黑龙江省降雨侵蚀力集中度很高，大部分站点6～9月份降雨侵蚀力占全年的90%以上［8］。这种现象与黑龙江省降水特征有关，黑龙江省的降水表现出明显的季风性特征。夏季受东南季风的影响，是全年降雨比较集中的季节，且降雨强度较大，季风带来的降雨占全年降雨量的65%左右，冬季在干冷西北风控制下，降雨较少，降雨强度也比较低，其中1月份最少，7月份最多，因此黑龙江省降雨侵蚀力集中度很高。由于6～9月份是黑龙江省农作物的主要生长季节，且降雨侵蚀力比较高的地区位于主要的农业产区，降雨侵蚀带来的水土流失会严重影响农作物的生长，因此需要研究如何减少由于降雨形成的土壤侵蚀对于农作物生长产生的不利影响。

3 结论

图5 各站点6～9月份降雨侵蚀力占年均侵蚀力的百分比

通过收集黑龙江省32个气象站点资料(包括大兴安岭)及各站点2000～2010年的日降雨量资料，分析处理降雨量数据，研究降雨侵蚀力的内涵及计算模型;采用月雨量模型估算降雨侵蚀力，运用ArcGIS软件，分析黑龙江省侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的空间分布特征，得出以下结论:

黑龙江省32个气象站日降雨量达到侵蚀性标准(≥12 mm/d)的降雨时间为8～15 d/a;空间上达到侵蚀性标准的降雨时间中南部较高、西北部较低。各站点日降雨量达到侵蚀性标准的年平均降雨总量为206～391 mm，空间分布与侵蚀性降雨时间类似;32个站点多年平均侵蚀性降雨量与年均降雨量线性相关关系十分显著。

黑龙江省年均降雨侵蚀力R值表现出从西北到西南部逐渐升高、东部低于中部的特征，且呈现出以明水为中心向西北、东南缓慢递减的环状空间分布格局。辖区内32个气象站点年均降雨侵蚀力 R值为 103.22～295.51(MJ·mm)/(hm2·h·a)，最大值与最小值之间相差近3倍。降雨侵蚀力的最高值出现在黑龙江省西南部松嫩平原地区，年降雨侵蚀力空间分布基本与年降雨量空间分布相似，但由于降雨侵蚀力同时受降雨量和降雨强度的影响，降雨侵蚀力和降雨量的年际变化趋势和程度并不完全一致。

黑龙江省各站点年内降雨侵蚀力R值在1～2月份基本为0，3～4月份开始逐步上升，大致在7月份达到最高值，从8月份开始降雨侵蚀力开始逐步下降，到11～12月份降雨侵蚀力又趋向于0，R值主要集中在6～9月份，各站点6～9月份的降雨侵蚀力占全年的81%～98%，全年降雨侵蚀力集中度很高。

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