李 俊,盛 菲,劉士余,張 婷,余敏琪
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院,南昌 330045;2.江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330045)
土壤侵蝕導(dǎo)致土壤肥力下降、江河泥沙淤積和生態(tài)環(huán)境惡化等,加劇區(qū)域貧困,是目前世界上最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。降雨是引起土壤侵蝕的直接原因,雨滴的擊濺作用和地表徑流的沖刷作用是造成土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。降雨侵蝕力是表征降雨對(duì)土壤侵蝕影響的潛在能力,隨降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)及降雨頻率的變化而變化。
綜上可知,太陽(yáng)黑子、氣候濤動(dòng)對(duì)中雨、大雨、暴雨侵蝕力的影響及其程度差異分析鮮見報(bào)道。因此,本文以贛南九曲水流域?yàn)檠芯繉?duì)象,分析年及不同量級(jí)降雨侵蝕力的變化規(guī)律,探討其在時(shí)頻域上與太陽(yáng)黑子、ENSO、AO及PDO的相互關(guān)系,并比較它們受上述因素影響的強(qiáng)弱,旨在為土壤侵蝕的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治及生態(tài)安全的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
九曲水流域位于江西省最南端,是東江流域兩大主要水系之一,發(fā)源于安遠(yuǎn)和尋烏兩縣交界處的基隆嶂,自北向南由安遠(yuǎn)經(jīng)定南流入廣東龍川,與尋烏水匯流形成東江,其主河道長(zhǎng)91 km,集水面積1 554 km。流域地貌以低山丘陵為主,高程為81~1 017 m;土壤母質(zhì)以花崗巖、石英巖和泥質(zhì)巖居多,少數(shù)為紫紅色砂礫巖和砂巖;土壤類型主要包括水稻土、潮土、紫色土、紅壤和山地黃壤。流域氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫為18.9 ℃,多年平均降水量1 560 mm,多年平均徑流深為870 mm,呈現(xiàn)出“氣候溫和、雨量充沛”的氣候特點(diǎn)。植被類型主要有馬尾松、杉木、毛竹、樟樹以及各種闊葉林。
勝前(二)水文站(115°13′00″E,24°51′30″N)位于定南縣龍?zhí)伶?zhèn),為九曲水流域的主要控制站點(diǎn),本文選取該水文站控制范圍作為研究區(qū),集水面積為758 km。
(1)由江西省水文局提供的勝前(二)水文站1982—2019年逐日降水量數(shù)據(jù);(2)由比利時(shí)皇家天文臺(tái)提供的長(zhǎng)期太陽(yáng)觀測(cè)獲得的太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)(http://sidc.oma.be/silso/dayssnplot);(3)由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局提供的ENSO、AO和PDO數(shù)據(jù)(https://psl.noaa.gov/data/climateindices/list/)。
1.3.1 降雨侵蝕力計(jì)算方法 本文基于章文波等建立的日雨量模型計(jì)算九曲水流域1982—2019年的降雨侵蝕力,其運(yùn)算步驟為:
(1)
=21586-71891
(2)
(3)
式中:為某半月的降雨侵蝕力((MJ·mm)/(hm·h·a));為半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù);為半月時(shí)段內(nèi)第天≥12 mm的日降雨量,否則以0計(jì)算;12、12分別為≥12 mm的日平均降雨量和年平均降雨量(mm);、為模型待定參數(shù)。
1.3.2 小波分析方法 小波分析是一種通過(guò)序列“時(shí)—頻”信息反映不同時(shí)間尺度上信號(hào)周期變化特征的方法,是研究時(shí)間序列多尺度、非平穩(wěn)信號(hào)的有效工具。本文采用Morlet小波變換的主要過(guò)程為:
設(shè)連續(xù)函數(shù)為(),則小波變換系數(shù)(,)為:
(4)
小波方差為:
(5)
(6)
交叉小波凝聚譜定義為:
(7)
本文將≥12 mm的日降雨量劃分為不同量級(jí),即中雨日(12.0~24.9 mm)、大雨日(25.0~49.9 mm)和暴雨日(≥50 mm)。根據(jù)日雨量模型計(jì)算得到中雨侵蝕力、大雨侵蝕力和暴雨侵蝕力,將三者相加得到年降雨侵蝕力。同時(shí),采用變異系數(shù)(C)判定降雨侵蝕力變異程度,C<0.1為弱變異,0.1≤C<1為中等變異,C≥1為高度變異。
2.1.1 降雨侵蝕力趨勢(shì)變化 由圖1a可知,九曲水流域年降雨量與年降雨侵蝕力的趨勢(shì)變化特征基本一致,二者的最大值和最小值分別為2 028 mm、13 748(MJ·mm)/(hm·h·a)(2006年)和776 mm、2 486(MJ·mm)/(hm·h·a)(1991年),多年平均值分別為1 560 mm和8 667.76(MJ·mm)/(hm·h·a)。其中,年降雨侵蝕力在1982—2019年的C值為0.26,屬于中等變異,總體呈不顯著的增加趨勢(shì)(>0.05),每年增幅為29.95(MJ·mm)/(hm·h·a)。
從圖1b~圖1d可以看出,各量級(jí)降雨及其降雨侵蝕力的最大、最小值均出現(xiàn)在同一年份。中雨、暴雨侵蝕力在1982—2019年總體上均呈不顯著的增加趨勢(shì)(>0.05),每年增幅分別為9.72,27.41(MJ·mm)/(hm·h·a),多年平均值分別為2 018.27,3 132.83(MJ·mm)/(hm·h·a)。而大雨侵蝕力呈不顯著的減少趨勢(shì)(>0.05),每年減幅為7.18(MJ·mm)/(hm·h·a),多年平均值為3 516.66(MJ·mm)/(hm·h·a)。中雨、大雨和暴雨侵蝕力的C值分別為0.24,0.31,0.64,均屬于中等變異。其中,暴雨侵蝕力變異系數(shù)最大,說(shuō)明九曲水流域暴雨侵蝕力的年際變化相對(duì)更大。
圖1 年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力趨勢(shì)變化
2.1.2 降雨侵蝕力周期變化 年及不同量級(jí)降雨侵蝕力的周期變化規(guī)律見圖2和圖3。從小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖2)可知,年降雨侵蝕力在15~23年周期上出現(xiàn)“弱—強(qiáng)”交替準(zhǔn)3次振蕩;中雨侵蝕力在3~7年周期上呈“強(qiáng)—弱”交替不明顯,而在8~14年周期上出現(xiàn)“弱—強(qiáng)”交替準(zhǔn)5次振蕩;大雨侵蝕力在6~12,15~25年周期上分別出現(xiàn)“強(qiáng)—弱”交替準(zhǔn)6次和準(zhǔn)3次振蕩;暴雨侵蝕力在6~10年周期上呈 “弱—強(qiáng)”交替不明顯,而在15~23年周期上出現(xiàn)“強(qiáng)—弱”交替的準(zhǔn)3次振蕩。
圖2 年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力小波系數(shù)實(shí)部等值線圖
小波方差圖(圖3)表明,年降雨侵蝕力的方差峰值出現(xiàn)在19年,為其第1主周期。同理分析,中雨侵蝕力的第1,2主周期為11,5年,大雨侵蝕力的第1,2主周期為9,20年,暴雨侵蝕力的第1,2主周期為19,8年??芍杲涤昵治g力與暴雨侵蝕力均具有15~23年周期變化規(guī)律,且主周期19年相同,這說(shuō)明二者關(guān)系更緊密,前者周期變化很大程度上由后者決定。
圖3 年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力小波方差
降雨侵蝕力與太陽(yáng)黑子、ENSO、AO、PDO在時(shí)頻域中的相互關(guān)系見圖4~圖7。圖中亮白色和暗黑色分別表示能量密度的峰值和谷值,黑色粗實(shí)線閉合區(qū)域表示通過(guò)95%置信水平紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn);箭頭方向表示二者之間的位相關(guān)系:→(←)表示降雨侵蝕力與影響因素同位相(反位相),呈正相關(guān)(負(fù)相關(guān))關(guān)系;↑(↓)表示降雨侵蝕力超前(滯后)影響因素變化。為避免邊界效應(yīng)及小波高頻虛假信息,小波影響錐邊界(圖中“V”形細(xì)弧線)以內(nèi)區(qū)域?yàn)橛行ёV值。
2.2.1 太陽(yáng)黑子對(duì)降雨侵蝕力的影響 太陽(yáng)黑子對(duì)年降雨侵蝕力具有顯著影響。在小波影響錐區(qū)域內(nèi):高能量區(qū),太陽(yáng)黑子與年降雨侵蝕力在9~11年(1994—2006年)顯著共振周期上呈負(fù)相關(guān)(圖4a);低能量區(qū),二者僅在2~3年(2012—2015年)顯著共振周期上呈負(fù)相關(guān)(圖4b)。
圖4 太陽(yáng)黑子與年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力的交叉小波能量譜和凝聚譜
太陽(yáng)黑子對(duì)不同量級(jí)降雨侵蝕力的影響程度不同。在小波影響錐區(qū)域內(nèi):(1)太陽(yáng)黑子與中雨侵蝕力在高能量區(qū)存在6~8年(1991—1995年)顯著共振周期且接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)(圖4c);低能量區(qū),二者在1~3年(1989—1999年)顯著共振周期上接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)。在5~7年(2006—2012年)顯著共振周期上接近同位相,呈近似正相關(guān)(圖4d)。(2)太陽(yáng)黑子與大雨侵蝕力在高能量區(qū)存在8~9年(1993—1997年)和10~11年(1999—2003年)顯著共振周期且位相接近垂直向下(圖4e),表明此時(shí)大雨侵蝕力滯后于太陽(yáng)黑子變化;低能量區(qū),二者的相互關(guān)系不顯著(圖4f)。(3)太陽(yáng)黑子與暴雨侵蝕力在高能量區(qū)存在9~11年(1994—2006年)顯著共振周期,呈負(fù)相關(guān)(圖4g);低能量區(qū),二者在1~4年(2009—2015年)共振周期上接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)(圖4h)。
可知,太陽(yáng)黑子與年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力均存在9~11年(1994—2006年)顯著共振周期且呈負(fù)相關(guān);不同量級(jí)降雨侵蝕力中,太陽(yáng)黑子與暴雨侵蝕力在時(shí)頻域中的相互關(guān)系通過(guò)95%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)范圍最大,說(shuō)明太陽(yáng)黑子主要通過(guò)影響暴雨侵蝕力而對(duì)年降雨侵蝕力產(chǎn)生較大影響。
2.2.2 厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)對(duì)降雨侵蝕力的影響 由圖5a和圖5b可知,在小波影響錐區(qū)域內(nèi),高能量區(qū),ENSO與年降雨侵蝕力在10~11年(1996—2005年)顯著共振周期上位相垂直向上,表明此時(shí)年降雨侵蝕力超前ENSO變化;低能量區(qū),二者在2~5年(2011—2015年)顯著共振周期上接近同位相,呈近似正相關(guān)。
ENSO對(duì)不同量級(jí)降雨侵蝕力的影響見圖5c~圖5h。在小波影響錐區(qū)域內(nèi):(1)ENSO與中雨侵蝕力在高能量區(qū)存在2~3年(2008—2010年)、3~4年(1994—1998年)及6~7年(1997—2004年)顯著共振周期,位相變化頻繁(圖5c),說(shuō)明二者在時(shí)頻域中的相互關(guān)系不穩(wěn)定;低能量區(qū),二者在1~2年(2004—2008年)顯著共振周期上位相垂直向上(圖5d),表明此時(shí)中雨侵蝕力超前ENSO變化。(2)ENSO與大雨侵蝕力在高能量區(qū)存在5~6年(1988—1993年)的顯著共振周期,位相垂直向上(圖5e),表明大雨侵蝕力超前ENSO變化;低能量區(qū),二者在時(shí)頻域中的相互關(guān)系不顯著(圖5f)。(3)ENSO與暴雨侵蝕力在高能量區(qū)存在10~11年(1996—2005年)的顯著共振周期,位相垂直向上(圖5g),表明暴雨侵蝕力超前ENSO變化;低能量區(qū),ENSO與暴雨侵蝕力在2~4年(2009—2015年)、5~7年(1991—2000年)顯著共振周期上位相分別垂直向上、接近垂直向下(圖5h),表明此時(shí)暴雨侵蝕力分別超前、滯后ENSO變化。
圖5 ENSO與年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力的交叉小波能量譜和凝聚譜
由分析可知,年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與ENSO均存在10~11年(1996—2005年)顯著共振周期且變化相對(duì)超前;與中雨、大雨侵蝕力相比,暴雨侵蝕力與ENSO在時(shí)頻域中的相互關(guān)系通過(guò)95%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)范圍最大,說(shuō)明暴雨侵蝕力受ENSO的影響大于中雨、大雨侵蝕力。
2.2.3 北極濤動(dòng)(AO)對(duì)降雨侵蝕力的影響 AO對(duì)降雨侵蝕力的影響見圖6。在小波影響錐區(qū)域內(nèi):(1)AO與年降雨侵蝕力在高能量區(qū)存在1年(2009—2011年)和5年(2005—2010年)顯著共振周期且位相接近垂直向下,表明此時(shí)年降雨侵蝕力滯后AO變化,10~11年(1996—2003年)顯著共振周期上接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)(圖6a);低能量區(qū)二者在6年(2008—2011年)顯著共振周期上位相垂直向下(圖6b),表明此時(shí)年降雨侵蝕力滯后AO變化。(2)AO與中雨侵蝕力在高能量區(qū)、低能量區(qū)分別存在1~4年(2008—2012年)、1~3年(2013—2015年)顯著共振周期且接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)(圖6c、圖6d)。(3)AO與大雨侵蝕力在高能量區(qū)、低能量區(qū)分別存在5年(2005—2010年)、5~8年(1989—2012年)顯著共振周期且位相垂直向下(圖6e、圖6f),表明此時(shí)大雨侵蝕力滯后AO變化。(4)AO與暴雨侵蝕力在高能量區(qū)存在1~3年(2009—2013年)和10~11年(1996—2003年)顯著共振周期且接近反位相,呈近似負(fù)相關(guān)(圖6g);低能量區(qū),幾乎不存在顯著相關(guān)區(qū)域(圖6h)。
圖6 AO與年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力的交叉小波能量譜和凝聚譜
可知,年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與AO均存在10~11年(1996—2003年)顯著共振周期且呈近似負(fù)相關(guān),年降雨侵蝕力和大雨侵蝕力與AO均有5年(2005—2010年)顯著共振周期且變化相對(duì)滯后。大雨侵蝕力與AO在時(shí)頻域中的相互關(guān)系通過(guò)95%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)范圍最大(呈帶狀分布),說(shuō)明大雨侵蝕力受AO的影響大于中雨、暴雨侵蝕力。
2.2.4 太平洋年代際濤動(dòng)(PDO)對(duì)降雨侵蝕力的影響 PDO對(duì)年降雨侵蝕力的影響見圖7a和圖7b。在小波影響錐區(qū)域內(nèi),PDO與年降雨侵蝕力在高能量區(qū)存在9~10年(1996—2005年)顯著共振周期且接近同位相,呈近似正相關(guān);低能量區(qū),二者存在2~3年(1994—2002年)顯著共振周期且為同位相,呈正相關(guān)。
PDO對(duì)不同量級(jí)降雨侵蝕力的影響見圖7c~圖7h。在小波影響錐區(qū)域內(nèi):(1)PDO與中雨侵蝕力在高能量區(qū)存在2~3年(2007—2008年)和3~5年(1991—1995年)顯著共振周期且位相接近垂直向上(圖7c),表明此時(shí)中雨侵蝕力超前PDO變化;低能量區(qū),二者在1~2年(2009—2016年)顯著共振周期上位相變化紊亂,二者關(guān)系不穩(wěn)定(圖7d)。(2)PDO與大雨、暴雨侵蝕力在高能量區(qū)分別存在4~6年(1988—1997年和2010—2013年)、9~10年(1996—2005年)顯著共振周期且接近同位相,呈近似正相關(guān)(圖7e、圖7g);低能量區(qū),PDO與大雨侵蝕力存在4~6年(1988—1993年)顯著共振周期且接近同位相,呈近似正相關(guān)(圖7f),而PDO與暴雨侵蝕力的相互關(guān)系不顯著(圖7h)。
圖7 PDO與年降雨侵蝕力及不同量級(jí)降雨侵蝕力的交叉小波能量譜和凝聚譜
可知,年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與PDO均存在9~10年(1996—2005年)顯著共振周期且呈近似正相關(guān),說(shuō)明PDO主要通過(guò)影響暴雨侵蝕力而對(duì)年降雨侵蝕力產(chǎn)生影響。
本研究結(jié)果顯示,贛南九曲水流域年降雨侵蝕力的多年平均值為8 667.76(MJ·mm)/(hm·h·a),與Li等在贛江流域8 756(MJ·mm)/(hm·h·a)的研究結(jié)果比較接近;而與鐘科元等在松花江流域、鄭哲等在怒江流域和陶望雄等在渭河流域低于2 000(MJ·mm)/(hm·h·a)的研究結(jié)果存在較大差異,這是因?yàn)榻涤昵治g力除受降雨特性的影響外,還是流域土壤、植被和地形等自然因素及人類活動(dòng)等多種因素綜合作用的結(jié)果。此外,九曲水流域各量級(jí)降雨侵蝕力變化趨勢(shì)有增有減,其中暴雨侵蝕力的年際變化相對(duì)更大,這與李維杰等在太行山區(qū)、趙平偉等在云南省的研究結(jié)果一致。同時(shí),該流域大雨和暴雨日數(shù)占年總降雨日數(shù)的11.8%,年平均大雨和暴雨量占年總降雨量的51.6%,而其降雨侵蝕力占年總降雨侵蝕力的比例卻高達(dá)76.7%??梢姡涤觐l率低、降雨量和降雨強(qiáng)度大的大雨和暴雨是造成九曲水流域土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力。
交叉小波變換表明,九曲水流域年及不同量級(jí)降雨侵蝕力與太陽(yáng)黑子、ENSO、AO和PDO均存在顯著共振周期,說(shuō)明上述因素對(duì)降雨侵蝕力都有一定的影響。但各因素與降雨侵蝕力之間的相互關(guān)系不僅是簡(jiǎn)單的正(負(fù))相關(guān)或超前(滯后),而且也是在不同的共振周期上表現(xiàn)為不同的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或超前、滯后??芍?yáng)黑子、ENSO、AO和PDO對(duì)降雨侵蝕力的影響機(jī)制十分復(fù)雜。其中,年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與太陽(yáng)黑子在時(shí)頻域上存在9~11年的顯著共振周期,這與太陽(yáng)黑子的總體變化周期大致為11 年較吻合。太陽(yáng)黑子通過(guò)增強(qiáng)地球表面太陽(yáng)輻射,導(dǎo)致地表溫度和氣壓梯度發(fā)生變化,進(jìn)而引起大氣環(huán)流變化,最終影響降雨侵蝕力;年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與ENSO均存在10~11年顯著共振周期。這是由于ENSO影響大氣環(huán)流,導(dǎo)致全球熱帶氣團(tuán)活動(dòng)異常,使強(qiáng)降雨事件的發(fā)生頻率升高,從而使暴雨場(chǎng)次增加、暴雨侵蝕力控制著年降雨侵蝕力;年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與PDO均存在9~10年顯著共振周期,這是因?yàn)镻DO通過(guò)氣候相關(guān)作用影響雨帶移動(dòng)和水汽輸送,導(dǎo)致極端降雨事件發(fā)生,使暴雨侵蝕力增強(qiáng)并成為年降雨侵蝕力的主要組成部分;與太陽(yáng)黑子、ENSO及PDO比較,AO對(duì)暴雨侵蝕力影響相對(duì)較弱,這可能是由于AO通過(guò)改變大氣動(dòng)量及熱量交換,主要影響中高緯度間大氣環(huán)流,導(dǎo)致中高緯度地區(qū)極端降雨事件發(fā)生,而九曲水流域處于低緯度地區(qū)。同時(shí),年降雨侵蝕力與AO在5年顯著共振周期上滯后AO變化,這是因?yàn)槎杭続O造成的地面下邊界條件異常通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的記憶而對(duì)數(shù)月之后的降雨產(chǎn)生異常。
(1)九曲水流域年降雨侵蝕力的多年平均值為8 667.76(MJ·mm)/(hm·h·a)。年際變化上,年降雨侵蝕力、中雨侵蝕力、暴雨侵蝕力呈增加趨勢(shì),而大雨侵蝕力呈下降趨勢(shì);中雨、大雨和暴雨侵蝕力及年降雨侵蝕力的C值分別為0.24,0.31,0.64,0.26,均屬于中等變異,其中暴雨侵蝕力的年際變化相對(duì)更大。
(2)年降雨侵蝕力存在15~23年周期變化,主周期為19年;中雨侵蝕力存在3~7,8~14年的周期變化,相應(yīng)的主周期為5,11年;大雨侵蝕力存在6~12,15~25年的周期變化,相應(yīng)的主周期為9,20年;暴雨侵蝕力存在6~10,15~23年的周期變化,相應(yīng)的主周期為8,19年。
年降雨侵蝕力與暴雨侵蝕力均存在15~23年的周期變化和19年主周期,說(shuō)明其周期變化聯(lián)系更緊密。
(3)太陽(yáng)黑子與年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力均存在9~11年(1994—2006年)顯著共振周期且呈負(fù)相關(guān);年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與ENSO均存在10~11年(1996—2005年)顯著共振周期且變化相對(duì)超前,暴雨侵蝕力受ENSO的影響大于中雨、大雨侵蝕力;年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與AO均存在10~11年(1996—2003年)顯著共振周期且呈近似負(fù)相關(guān),年降雨侵蝕力和大雨侵蝕力與AO均有5年(2005—2010年)顯著共振周期且變化相對(duì)滯后。大雨侵蝕力受AO的影響大于中雨、暴雨侵蝕力;年降雨侵蝕力和暴雨侵蝕力與PDO均存在9~10年(1996—2005年)顯著共振周期且呈近似正相關(guān)。
研究成果不僅可為降雨侵蝕力的時(shí)空變化及其歸因分析提供參考,還可為贛南乃至我國(guó)土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治提供科學(xué)依據(jù)。但本文僅探討了太陽(yáng)黑子、ENSO、AO及PDO分別對(duì)降雨侵蝕力的影響,上述因素對(duì)降雨侵蝕力的影響機(jī)制以及它們的耦合作用對(duì)降雨侵蝕力的影響尚需進(jìn)一步深入探究。