闽北地区降雨量及降雨侵蚀力的时空变化特征

赵莉莉，范勋承

（邵阳学院城乡建设学院，湖南邵阳 422000）

引起土壤流失的因素很多，可归纳为人为因素和自然因素。人为因素是指人类对自然的不合理开发利用导致的土壤资源的破坏，这是能够控制的因素。自然因素包括风、降雨、冻融等人类较难控制的因素，其中降雨是引起土壤流失的最主要因素之一。土壤流失预测预报是水土保持学科的一项重要研究内容，通过建立定量的土壤流失预测预报模型，可以对特定区域的土壤流失量进行计算，并为相应的水土保持措施的制定提供决策依据[1]。在土壤流失量的计算上，土壤流失方程式（USLE）被众多国家所引用，其中，降雨侵蚀力（R）、作物经营因子（C）以及土壤保持措施因子（P）是方程中较为重要的因子，而土地利用表现在C 和P上。雨滴飞溅以及由降雨产生的径流是引起土壤流失的重要动能[2]。近年来，国内学者就降雨侵蚀力等方面开展了诸多研究，如章文波等[3]利用全国564 个测点的逐日降雨资料对1971－1998 年的全国降雨侵蚀力空间变化特征进行了分析；傅伯杰等[4]利用土壤流失方程计算了黄土高原的水蚀情况；王亚楠[5]利用东部地区水文站和气象站的相关资料对该地区近30 年的降雨侵蚀环境时空变化特征进行了分析；李佳蕾等[6]利用修正版的土壤流失方程（RUSLE）对全国2000－2015 年间的土壤侵蚀量进行了研究；莫建飞等[7]利用石漠化因子对RUSLE 模型进行修正，构建了广西区岩溶生态系统水土流失估算模型，分析发现研究区侵蚀强度以中度及以上为主。

研究降雨对土壤侵蚀的潜在作用，不仅可为下一步土壤流失量的计算提供基础数据，从而达到定量预测预报土壤流失的目的。同时，由于降雨侵蚀引起的土壤结构变化，降低作物产量而导致的生态系统服务价值降低。同时，对降雨侵蚀力的研究也可为进一步研究闽北地区降雨与生态系统服务功能间的相关关系提供理论支持。

1 研究区概况

研究区设在福建省的北部——南平市，俗称闽北。闽北土地面积为2.63×104km2，下辖2 个市辖区、5 个县、3 个县级市，包括延平区、建阳区、顺昌县、浦城县、光泽县、松溪县、政和县、邵武市、武夷山市、建瓯市（图1）。闽北是福建省最大的地级市，约占福建省总面积的1/5，同时也是福建省最早开发的地区之一。闽北地形受构造运动影响明显，山地多分布在西北、东北和西南部，低山、丘陵、盆地多分布在中部和南部。闽北地区属于中亚热带温润季风气候，年平均气温为17～19℃，冬季气温为6～9℃，夏季平均气温为28～29℃，雨季分明。暴雨常出现在5－7 月，闽北一天最大降雨量200～400mm，三天最大降雨量400～600mm。冬季多北风，夏季多东南风。2019 年末，户籍总人口318.26 万人，地区生产总值达1991.57 亿元。

图1 研究区示意图

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

本研究先通过公式（1）计算半月的侵蚀力R半月，再利用公式（4）和公式（5）得到各气象站点年降雨侵蚀力和多年平均降雨侵蚀力。最后，利用ArcGIS10.2 的空间克里金插值法[1]，得到闽北年侵蚀性降雨量和年降雨侵蚀力的空间分布图。具体来说，为了求得R半月，首先需要求得β的值，而后求得α的值。获取β值需要的条件是：日雨量≥12mm（一般把≥12 mm 的日雨量作为产生土壤侵蚀的降雨标准[8]）的多年日平均降雨量和日雨量≥12mm 多年平均降雨量（见公式2），这些数据可以从国家气象科学数据共享服务平台获取，并经过统计分析而得到。然后，代入公式（3）得到α值，而后利用α和β值代入公式（1）得到R半月，最后将R半月代入公式（4）和（5）得到R年和。具体公式如下：日雨量估算半月侵蚀力模型计算公式如下[1,9]：

式中，R半月是各气象站点半月内的降雨侵蚀力值，单位是MJ·mm/（ha·h）；m 是该半月日雨量≥12mm的天数；Pk为半月内第k 天≥12 mm 日雨量（mm）。

式中，P（d12）是日雨量≥12 mm 的多年平均日雨量（mm）；P（y12）是日雨量≥12mm 多年平均降雨量（mm）。

在公式（4）和（5）中，R年是年降雨侵蚀力；是多年平均年降雨侵蚀力，单位是MJ·mm/（ha·h）。

2.2 数据来源及处理

研究数据来源于国家气象科学数据共享服务平台，考虑到研究区的实际情况及数据的全面性，研究时段定为1981－2010 年，此时段气象站点数据较全面（共9 个气象站数据）。因此，从该平台选取了闽北1981－2010 年9 个气象站点的多年平均日降雨量数据，9个气象站点的分布图及地理位置信息见图2 和表1。

表1 闽北各气象站点地理位置信息

图2 闽北各气象站点分布图

3 结果与分析

3.1 闽北降雨量时空分布特征

3.1.1 闽北降雨量时间分布特征。本研究的基础数据来源于光泽站、邵武站、武夷山站、浦城站、建阳站、松溪站、政和站、建瓯站和顺昌站，共9 个气象站1981－2010 年的年、月平均降水数据。各站点多年平均月降雨量如图3 所示。由图3 可以看出，闽北地区雨季分明，各区（市、县）的降雨量在各月份的分布上较为一致，峰值均出现在6 月，而最小值出现在12 月。其中，3－4 月份为春雨季，约占全年降雨量的25%；5－6 月是梅雨季，约占35%；7－9 月为雷雨季，约占20%；10月到第2 年的2 月秋冬少雨，约占全年降雨量的20%。

图3 闽北各气象站多年平均月降雨量

3.1.2 闽北降雨量空间分布特征。由图4 和图5 可以看出，在空间分布上，闽北多年平均降雨量总体上表现为由中心向四周递增的趋势，其中以闽北的北部和西部地区尤为集中。北部和西部地区则以武夷山市、光泽县和邵武市为代表，其多年平均降雨量分别为1926.8mm、1937.5mm 和1840.9mm；中部和东部地区降雨量最少，其中，位于东部的政和县和松溪县的年平均降雨量仅为1628.2mm和1654.1mm。各区域多年平均降雨量的大小顺序为：光泽＞武夷山＞邵武＞顺昌＞浦城＞建阳＞建瓯＞松溪＞政和。

图4 闽北各气象站多年平均年降雨量

图5 闽北多年平均年降雨量空间分布

3.2 闽北降雨侵蚀力时空分布特征

3.2.1 降雨侵蚀力多年变化特征。利用闽北9个气象站的多年平均各月降雨量，根据上面得到的闽北日雨量估算半月侵蚀力模型，计算得到各站年降雨侵蚀力R 值（表2）。30 年来，闽北地区平均降雨侵蚀力处于5176.69～20700.59 MJ·mm/（ha·h）之间，平均值为12567.88 MJ·mm/（ha·h），最大差异为15523.90 MJ·mm/（ha·h），变异系数为0.45。

表2 闽北各站降雨侵蚀力R 值

3.2.2 降雨侵蚀力空间分布特征。从空间分布上看（图6），闽北地区降雨侵蚀力总体上表现为东部和西部略大，而中部及南北部略小的现象，最大值出现在东部的政和县，最小值则是位于中部的建阳区。具体来说，各区域降雨侵蚀力的大小顺序表现为：政和县＞光泽县＞邵武县＞顺昌县＞松溪县＞武夷山市＞建瓯市＞浦城县＞建阳区。

图6 闽北降雨侵蚀力空间分布

4 结论与讨论

4.1 结论

根据1981－2010 年闽北地区9 个气象站点的逐日降雨资料，利用公式（1）-（5）计算得到了多年月平均降雨量和多年年平均降雨量，并采用克里金法对研究区降雨量和降雨侵蚀力的时空分布特征进行分析发现：

（1）闽北地区雨季分明，降雨量最大值出现在6 月份，其中，5－6 月是梅雨季，占全年降雨量比例最大，约为35%，10 月－翌年2 月秋冬少雨，约占全年降雨量的20%。从空间上看，闽北多年平均降雨量总体上呈现为由中心向四周递增的趋势，其中，位于西北部的光泽县和武夷山的降雨量较为集中；相比之下，东部的政和县年平均降雨量最少。

（2）就降雨侵蚀力而言，闽北地区多年平均降雨侵蚀力为12567.88 MJ·mm/（ha·h），最大值为20700.59 MJ·mm/（ha·h），发生地点是闽北东部的政和县，最小值为5176.69 MJ·mm/（ha·h），处于闽北中部的建阳区。

4.2 讨论

目前，土壤退化得到了世界各国的高度重视，土壤退化不仅产生了诸如土地荒漠化、沙尘暴等一系列环境问题[9]，同时由于土壤侵蚀退化破坏了土壤结构，使得生态系统功能改变，导致作物产量降低。在计算生态系统服务价值时，是以农田生态系统单位面积的服务价值为基准，因此，土壤侵蚀退化对研究区整体生态系统服务功能及价值均产生影响。而在土壤侵蚀中，雨滴击溅作用和降雨产生的径流是重要的影响因素[10]。降雨侵蚀力是代表降雨引起土壤侵蚀潜在能力的指标，被广泛应用于土壤侵蚀定量评价模型中[5]。对闽北地区降雨量和降雨侵蚀力的时空分布特征进行分析发现，各区域降雨量的时空分布大体与降雨侵蚀力的分布相一致（政和县除外），即降雨量越大的区域，其降雨侵蚀力越强。值得注意的是，政和县的多年平均降雨量在各区域中最少，仅为1628.2mm，但降雨侵蚀力却最大，这说明政和县大于12mm 的侵蚀性降雨较其他区域要多。森林生态系统具有水源涵养、气体调节和气候调节等多种生态服务价值。因此，在今后土地利用规划时，政和县要加大造林绿化力度，提高森林覆盖率，发挥森林生态系统的各项服务功能，以减少降雨侵蚀所带来的土地退化等问题。