楊甲辰，張榮華，齊玉誠，孔凡英，董智?

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室/泰山森林生態(tài)站，271018；2.泰安市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，271000；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，271018：山東泰安)

日照市降雨侵蝕力時空分布特征

楊甲辰1,2，張榮華1，齊玉誠2，孔凡英3，董智1?

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室/泰山森林生態(tài)站，271018；2.泰安市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，271000；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，271018：山東泰安)

為掌握山東省日照市降雨侵蝕力時空分布特征，提高日照市水土保持規(guī)劃與決策的科學(xué)性，利用日照市水利局雨量遙測系統(tǒng)61個雨量站點(diǎn)2005—2014年日降雨資料計算降雨侵蝕力，并運(yùn)用Excel 2013、 ArcGIS 10等工具分析日照市降雨侵蝕力的時空分布特征。結(jié)果表明：1)從年度變化來看，日照市站均年度降雨侵蝕力最大值(2008年)是最小值(2014年)的2.90倍，站均汛期降雨侵蝕力最大值(2007年)是最小值(2014年)的3.74倍。從月度變化來看，降雨侵蝕力主要集中在5—9月，尤其集中在7—8月。2)從空間分布來看，各站點(diǎn)年均降雨侵蝕力、汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)東南沿海地區(qū)較高、內(nèi)陸地區(qū)較低、中部地區(qū)最低的特征，變化范圍分別在2 942.07～4 921.45、2 694.36～3 921.78 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，分區(qū)縣看，嵐山區(qū)最高，東港區(qū)次之，莒縣和五蓮縣較低；各月的降雨侵蝕力重點(diǎn)也不盡相同。3)從時間變異來看，站均年度降雨侵蝕力變化范圍在1 831.55～5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為3 826.01、4 053.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差1 089.46 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)28.48%；站均月度降雨侵蝕力變化范圍在1.23～1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為318.83、61.51 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差397.99 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)124.83%。4)從空間變異來看，各站年均降雨侵蝕力變化范圍在2 755.23～5 061.15 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為3 826.01、3 730.97 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差512.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)13.40%。本研究結(jié)果可為日照市水土保持規(guī)劃與決策、土壤侵蝕預(yù)報等提供參考。

降雨侵蝕力； 時空分布； 日照市； 山東省

降雨侵蝕力(rainfall erosivity)是由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是經(jīng)典土壤流失方程USLE[1](Universal Soil Loss Equation)及改進(jìn)型通用土壤流失方程RUSLE[2](Revised Universal Soil Loss Equation)的基本因子。降雨侵蝕力時空分布特征研究是揭示降水變化對土壤侵蝕影響的基礎(chǔ)。降雨侵蝕力的經(jīng)典計算方法是美國W. H. Wischmeier等[3-4]提出的EI30方法，但此方法對降雨資料的要求較高，在一般地區(qū)難以實現(xiàn)。為此，有學(xué)者提出了降雨侵蝕力的簡易算法，即利用常規(guī)的降雨資料來估算降雨侵蝕力[5-10]。其中，章文波等[11]提出的日雨量侵蝕力模型在各地降雨侵蝕力研究中得以廣泛應(yīng)用[12-17]，其簡易算法被全國第1次水利普查采用[18]。空間插值方法主要有地統(tǒng)計插值法(克里格插值)和確定性插值法(樣條曲線插值、反距離權(quán)重插值)，其中，地統(tǒng)計插值法既充分考慮了樣本點(diǎn)的方向、位置和距離，又能夠?qū)?shù)據(jù)中存在的趨勢和異向性進(jìn)行處理，選出最優(yōu)、最適合的模型進(jìn)行擬合[19]。因此，本文采用普通克里格法(Ordinary Kriging)對日照市降雨侵蝕力的空間分布特征進(jìn)行研究。

日照市地處魯東南沿海，屬北方土石山區(qū)，其下轄的東港區(qū)、莒縣、五蓮縣是沂蒙山泰山國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)；但區(qū)域內(nèi)水土流失研究開展較少，尚未有人專門針對日照市域尺度開展較為詳盡的降雨侵蝕力研究。為掌握日照市降雨侵蝕力時空分布特征，提高日照市水土保持規(guī)劃與決策的科學(xué)性，筆者利用日照市水利局雨量遙測系統(tǒng)日降雨量數(shù)據(jù)和章文波等提出的日雨量侵蝕力模型計算各站點(diǎn)降雨侵蝕力，采用ArcGIS 10分析降雨侵蝕力空間變異格局，采用Excel 2013分析降雨侵蝕力半月及年際變化情況，并分析半月和年度時段上降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力的相關(guān)性，以期對日照市水土保持規(guī)劃與決策、土壤侵蝕預(yù)報、土建工程施工和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

日照市地處魯東南，位于E 118°35′～119 °39′，N 35°04′～36°04′，面積5 348 km2。該市地形中高周低，略向東南方向傾斜，山地、丘陵、平原、洼地分別占總面積的35.8%、38.7%、22.7%、2.8%。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，兼具海洋性氣候特點(diǎn)，氣候溫和，年均氣溫12.7℃，日照時間2 532.9 h，無霜期215 d，多年平均降水量813.7 mm。全市主要土壤類型為棕壤、潮土、褐土等。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，主要為松櫟混交林、矮林和闊葉雜木林及稀疏灌草叢。因過度采伐、墾殖和濫牧，天然植被基本為人工植被取代。日照市水土流失面積4 573 km2，其中山丘區(qū)水土流失面積3 629 km2，土壤侵蝕模數(shù)1 430～3 700 t/(km2·a)，平均土壤侵蝕模數(shù)1 890 t/(km2·a)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

以日照市水利局雨量遙測系統(tǒng)61個雨量站點(diǎn)(圖1)2005—2014年日降雨資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。需要指出的是，日照市降雪量少、歷時短，有的年份甚至無降雪過程，且積雪融化引起的侵蝕主要同溫度升高的速率、風(fēng)速、積雪的厚度等因子有關(guān)，作者在整理數(shù)據(jù)時，將降雪量帶來的降雨量予以扣除。

圖1 日照市雨量站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of rainfall stations in Rizhao City

2.2 模型與方法

統(tǒng)計各站點(diǎn)年均降雨量、年均侵蝕性降雨量(日降雨量≥12 mm)，并采用章文波等日雨量模型(式1～3)[11]計算各站點(diǎn)年均降雨侵蝕力R。

(1)

式中：Rk為第k個半月降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·a),k=1,2,3,…,24；Pdk為第k個半月日侵蝕性降雨量，mm；j為第k個半月時間，d；j= 13,14,15,16；α和β為反映當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯哪Ｐ蛥?shù)。計算公式如下:

(2)

α=21.586β-7.189 1。

(3)

式中:Pd12為日降雨量≥12 mm的日均降雨量，mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年均降雨量，mm。

運(yùn)用Excel 2013進(jìn)行時間變化分析，獲得日照市年度降雨量、汛期降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力柱狀圖，月度降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力折線圖，以及月均降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力柱狀圖。運(yùn)用ArcGIS 10軟件Spatial Analyst工具中的普通克里金差值方法，采用球面半變異模型進(jìn)行Kriging插值，并進(jìn)行掩膜提取分析，獲得日照市年均、汛期及月均降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 時間變化特征

圖2 日照市降雨特征值時間變化Fig.2 Temporal variations chart of rainfall characteristic values in Rizhao City

做日照市降雨特征值時間變化圖(圖2)。站均年度降雨量最大為2008年的983.64 mm，最小為2014年的504.22 mm，比值1.95；站均汛期降雨量最大為2005年的821.04 mm，最小為2014年的339.78 mm，比值2.42。月均降雨量最大為7月的197.58 mm，最小為1月的3.65 mm，均值65.02 mm。降雨主要集中在5—9月(占83.01%)，尤其集中在7—8月(占49.57%)，其他月占16.99%。站均年度侵蝕性降雨量最大為2008年的855.36 mm，最小為2014年的369.16 mm，比值2.32；站均汛期侵蝕性降雨量最大為2005年的702.13 mm，最小為2014年的235.70 mm，比值2.98。站均月度侵蝕性降雨量最大為7月的172.01 mm，最小為1月的0.54 mm，均值51.68 mm。侵蝕性降雨量主要集中在5—9月(占88.11%)，尤其集中在7—8月(占53.99%)，其他月占11.89%。站均年度降雨侵蝕力最大為2008年的5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a)，最小為2014年的1 831.55 MJ·mm/(hm2·h·a)，比值2.90；站均汛期降雨侵蝕力最大為2007年的4 630.25 MJ·mm/(hm2·h·a)，最小為2014年的1 236.57 MJ·mm/(hm2·h·a)，比值3.74。站均月度降雨侵蝕力最大為7月的1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a)，最小為1月的1.23 MJ·mm/(hm2·h·a)，均值318.83 MJ·mm/(hm2·h·a)。降雨侵蝕力主要集中在5—9月，尤其集中在7—8月。

3.2 空間變化特征

3.2.1 年均降雨特征值空間分布特征 作日照市降雨特征值空間分布圖(圖3)。日照市年均降雨量、汛期降雨量呈現(xiàn)東南沿海較多、內(nèi)陸地區(qū)較少、中部地區(qū)最少的特征，變化范圍分別在707.56～878.59、540.93～619.63 mm之間。分區(qū)縣看，年均降雨量方面，嵐山區(qū)最多，東港區(qū)次之，莒縣和五蓮縣較少；年均汛期降雨量方面，嵐山區(qū)最多，莒縣、東港區(qū)次之，五蓮縣較少。日照市年均侵蝕性降雨量呈現(xiàn)東南沿海地區(qū)較多、內(nèi)陸地區(qū)較少的特征，變化范圍在566.58～687.81 mm之間；年均汛期侵蝕性降雨量呈現(xiàn)東南地區(qū)較多、周邊地區(qū)較少、中部地區(qū)最少的特征，變化范圍在398.80～545.15 mm之間。分區(qū)縣看，年均侵蝕性降雨量方面，嵐山區(qū)最多，東港區(qū)次之，莒縣和五蓮縣較少；年均汛期侵蝕性降雨量方面，嵐山區(qū)最多，莒縣西部、東港區(qū)東部、五蓮縣北部較少，中部地區(qū)最少。日照市年均降雨侵蝕力、汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)東南沿海地區(qū)較高、內(nèi)陸地區(qū)較低、中部地區(qū)最低的特征，變化范圍分別在2 942.07～4 921.45、2 694.36～3 921.78 MJ·mm/(hm2·h·a)之間。分區(qū)縣看，嵐山區(qū)最高，東港區(qū)次之，莒縣和五蓮縣較低。

圖3 日照市降雨特征值空間分布Fig.3 Spatial distribution of rainfall characteristic values in Rizhao City

3.2.2 月均降雨特征值空間分布特征 作日照市月均降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力空間分布圖(圖4、5、6)。各月的降雨量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力重點(diǎn)不盡相同，其中，降雨量7月集中在西部地區(qū)(莒縣)，8月主要集中在北部地區(qū)(五蓮縣、莒縣)，10月集中在東部地區(qū)(東港區(qū))，其余月大都集中在東南部地區(qū)(嵐山區(qū)、東港區(qū))；侵蝕性降雨量1月集中在東部沿海地區(qū)(東港區(qū)、嵐山區(qū)、五蓮縣東部)，7月集中在西部地區(qū)(莒縣)，8月主要集中在北部地區(qū)(五蓮縣、莒縣)，10月集中在東部地區(qū)(東港區(qū))，其余月大都集中在東南部地區(qū)(嵐山區(qū)、東港區(qū))；降雨侵蝕力1月集中在東部沿海地區(qū)(東港區(qū)、嵐山區(qū)、五蓮縣東部)，7月集中在西部地區(qū)(莒縣)，8月主要集中在南部和北部地區(qū)(嵐山區(qū)、五蓮縣、莒縣)，10月集中在東部地區(qū)(東港區(qū))，其余月大都集中在東南部地區(qū)(嵐山區(qū)、東港區(qū))。

圖4 日照市月均降雨量空間分布Fig.4 Spatial distribution of average monthly rainfall in Rizhao City

圖5 日照市月均侵蝕性降雨量空間分布Fig.5 Spatial distribution of average monthly erosive rainfall in Rizhao City

圖6 日照市月均降雨侵蝕力空間分布Fig.6 Spatial distribution of average monthly rainfall erosivity in Rizhao City

3.3 降雨侵蝕力時空變異特征

3.3.1 時間變異特征 測算出日照市站均年度和月度降雨侵蝕力，進(jìn)行降雨侵蝕力時間變異分析(表1)。日照市站均年度降雨侵蝕力變化范圍在1 831.55～5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為3 826.01、4 053.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差1 089.46 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)28.48%；站均月度降雨侵蝕力變化范圍在1.23～1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為318.83、61.51 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差397.99 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)124.83%。

表1日照市降雨侵蝕力時間變異

Tab.1Temporal variability of rainfall erosivity in Rizhao City

時間變異Temporalvariability最小值Min.最大值Max.均值Mean中值Medium標(biāo)準(zhǔn)差Std.deviation變異系數(shù)Coefficientvariation/%年度變異Annualvariation1831.555036.123826.014053.621089.4628.48月度變異Monthlyvariation1.231171.93318.8361.51397.99124.83

3.3.2 空間變異特征 測算出日照市各站年均降雨侵蝕力，進(jìn)行降雨侵蝕力空間變異分析(表2)。日照市各站年均降雨侵蝕力變化范圍在2 755.23～5 061.15 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，均值、中值分別為3 826.01、3 730.97 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差512.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，變異系數(shù)13.40%。

表2日照市各站年均降雨侵蝕力空間變異

Tab.2Spatial variability of average annual rainfall erosivity between stations in Rizhao City

最小值Min.最大值Max.均值Mean中值Medium標(biāo)準(zhǔn)差Std.deviation變異系數(shù)Coefficientvariation/%站間變異Variationbetweenstations2755.235061.153826.013730.97512.8113.40

4 結(jié)論

1)日照市站均年度降雨侵蝕力變化范圍在1 831.55～5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，最大值(2008年)是最小值(2014年)的2.90倍。各站年均降雨侵蝕力變化范圍在2 755.23～5 061.15 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，站均月度降雨侵蝕力變化范圍在1.23～1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，降雨侵蝕力主要集中在5—9月，尤其集中在7、8月，站均汛期降雨侵蝕力最大值(2007年)是最小值(2014年)的3.74倍。

2)各站點(diǎn)年均降雨侵蝕力、汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)東南沿海地區(qū)較高、內(nèi)陸地區(qū)較低、中部地區(qū)最低的特征，分區(qū)縣看，嵐山區(qū)最高，東港區(qū)次之，莒縣和五蓮縣較低。而從日照市的水土流失空間分布來看，與降雨侵蝕力的空間分布并不完全匹配。

3)降雨是導(dǎo)致水土流失的主要動力[20]。從以上分析可以看出，降雨量尤其是侵蝕性降雨量越大，降雨侵蝕力越大。但據(jù)《山東省水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》和《日照市水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》，日照市土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)中部和北部山丘區(qū)較高、平原地區(qū)較低的特征，與降雨侵蝕力的相關(guān)性并不高。這是因為，土壤侵蝕除了受降雨侵蝕力影響外，還與地形、土壤、植被等因素密切相關(guān)。加強(qiáng)多種因素的共同作用對土壤侵蝕的影響研究，應(yīng)是下一步努力的方向。

日照市水利局為本研究提供了降雨量、水土流失現(xiàn)狀等基礎(chǔ)資料，在此表示誠摯的感謝。

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SpatialandtemporalvariationsofrainfallerosivityinRizhaoCity

YANG Jiachen1,2, ZHANG Ronghua1, QI Yucheng2, KONG Fanying3, DONG Zhi1

(1.Forestry College of Shandong Agricultural University, Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration/Taishan Forest Ecosystem Research Station, 271018, Tai′an, Shandong, China;2.Ecological Environment Monitoring Station of Soil and Water Conservation in Tai′an City, 271018, Tai′an, Shandong, China;3.College of Life Science, State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University, 271018, Tai′an, Shandong, China)

BackgroundThe Rizhao City, located in the southern coast of Shandong province, is northern rocky mountain soil and the national key harnessing area of Yimeng Mountains and Taishan Mountain, China. However, there are few studies on the soil erosion in the region, and no detailed research on the rainfall erosivity has been carried out specifically for Rizhao City scale.MethodsIn order to investigate the spatial and temporal variations of rainfall erosivity in Rizhao City and improve the scientific nature of soil and water conservation planning and decision-making, we used the daily rainfall data of 61 rainfall stations in Rizhao City from 2005 to 2014 to calculate the rainfall erosivity by the daily rainfall erosivity model, and analyzed the spatial pattern with the help of ArcGIS10 and the temporal variation and the correlation between rainfall, erosive rainfall and rainfall erosivity by virtue of Excel 2013.Results1) For the temporal variability, the annual rainfall erosivity ranged from 1 831.55 MJ·mm/(hm2·h·a) to 5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a), the maximum value(2008) of the average annual rainfall erosivity was 2.90 times of the minimum (2014), and the maximum value (2007) of the rainfall erosivity in flood season was 3.74 times of the minimum (2014). The monthly rainfall erosivity per station was in the range of 1.23 MJ·mm/(hm2·h·a) to 1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a), the rainfall erosivity was concentrated from May to September, especially from July to August. 2) For the spatial variations, the average rainfall erosivity yearly and in flood season generally increased from inland areas to southeast coastal areas, and the lowest in the central region. Comparing them at the county scale, the highest of the average annual rainfall erosivity was in Lanshan, and then Donggang, the lowest was in Juxian and Wulian. The average annual rainfall erosivity in each station was from 2 755.23 MJ·mm/(hm2·h·a) to 5 061.15 MJ·mm/(hm2·h·a), the average and the median was 3 826.01 MJ·mm/(hm2·h·a) and 3 730.97 MJ·mm/(hm2·h·a), respectively, and the standard deviation was 512.81 MJ·mm/(hm2·h·a), and the variability coefficients was 13.40%.ConclusionsThe spatial distribution pattern of soil erosion in Rizhao City is not exactly matched with the spatial distribution of rainfall erosivity. In addition to the influence of rainfall erosivity, regional soil erosion is closely related to terrain, soil, vegetation and other factors. To strengthen the research on the comprehensive influence of various factors on soil erosion should be the direction of next step. The results can provide a reference for soil and water conservation planning and decision-making and prediction of soil erosion in Rizhao City.

rainfall erosivity; spatial and temporal variation; Rizhao City; Shandong Province

S157

A

2096-2673(2017)05-0048-10

10.16843/j.sswc.2017.05.007

2016-12-21

2017-05-03

項目名稱： 世界銀行貸款“山東生態(tài)造林生態(tài)效益監(jiān)測與評估”(SEAP-JC-2)；歐洲投資銀行貸款“山東沿海防護(hù)林工程項目”(SCSFP-JC)

楊甲辰(1984—)，男，碩士研究生。主要研究方向：水土流失防治。E-mail：1121296209@qq.com

?

董智(1971—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，博士。主要研究方向：荒漠化防治與植被恢復(fù)。E-mail：nmgdz@163.com