鄧攀攀，秦蓓蕾，都利亞

(1．廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

土壤侵蝕是當(dāng)今社會(huì)面臨的一個(gè)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。中國(guó)水土流失嚴(yán)重，據(jù)《中國(guó)水土保持公報(bào)(2020年)》[1]報(bào)告，全國(guó)水土流失面積有269.27萬(wàn)km2，其中水力侵蝕面積為112.00萬(wàn)km2。土壤侵蝕造成的耕地面積減少、土壤肥力下降以及河道湖泊淤積等生態(tài)安全問(wèn)題嚴(yán)重威脅著國(guó)家生態(tài)安全、防洪安全和糧食安全。影響土壤侵蝕的因素包括降雨、地形、植被和地質(zhì)等，其中降雨是造成土壤侵蝕的重要?jiǎng)恿σ蛩刂籟2]。降雨侵蝕力是通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation)及修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation)中一個(gè)重要因子，反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的能力[3-4]。

當(dāng)前對(duì)于降雨侵蝕力的研究相對(duì)較為成熟。如Wischmeier等[5]在1985年首次提出以降雨總動(dòng)能E與30 min最大雨強(qiáng)I30的乘積EI30作為衡量降雨侵蝕力大小的指標(biāo)，該指標(biāo)也被證明適用于中國(guó)[6]。然而，該方法的使用需要長(zhǎng)序列的場(chǎng)次降雨過(guò)程資料，許多國(guó)家和地區(qū)都無(wú)法滿(mǎn)足這種數(shù)據(jù)要求。因此，該方法在實(shí)際應(yīng)用上受到了很大限制。為了克服這一難題，許多基于日降雨資料、月降雨資料甚至年降雨資料的降雨侵蝕力計(jì)算方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如劉斌濤等[7]、章文波等[8]、YU[9]利用月降雨資料和日降雨資料建立了簡(jiǎn)單的降雨侵蝕力估算方法。

日降雨資料在中國(guó)相對(duì)容易獲取，且較之年或月降雨資料，日降雨資料保留了更為完整的降雨特征信息，在降雨侵蝕力估算的精度方面更具保障，因此利用日降雨資料計(jì)算降雨侵蝕力的應(yīng)用最為廣泛。在眾多日模型當(dāng)中，章文波等[8]所提出的日模型是中國(guó)使用最多計(jì)算模型，如阮歐等[10]利用1966—2017年日降雨資料研究了貴州省降雨侵蝕力的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)貴州省的降雨侵蝕力呈現(xiàn)震蕩下降趨勢(shì)；賴(lài)成光等[2]分析了珠江流域1960—2012年降雨侵蝕力時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)流域大部分地區(qū)年降雨侵蝕力呈上升的趨勢(shì)；羅健等[11]利用1960—2007年的降雨數(shù)據(jù)對(duì)廣東省的降雨侵蝕力時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明廣東省降雨侵蝕力呈微弱上升趨勢(shì)，且降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征與降雨年內(nèi)分布基本一致。然而，XIE等[12]發(fā)現(xiàn)利用章文波提出的基于日降雨資料計(jì)算降雨侵蝕力的方法對(duì)降雨侵蝕力值高的地區(qū)存在高估的現(xiàn)象，并提出了一種修正的Xie模型；Chen等[13]進(jìn)一步驗(yàn)證了章文波的日模型存在高估現(xiàn)象，并驗(yàn)證了Xie模型的合理性。

廣東省降雨量較大，意味著其對(duì)應(yīng)的降雨侵蝕力也較大[14]。本研究將繼續(xù)以廣東省為研究對(duì)象，采用省內(nèi)86個(gè)站點(diǎn)的日降雨資料，應(yīng)用謝云提出的Xie模型計(jì)算并研究廣東省1960—2018年的降雨侵蝕力時(shí)空變化特征，研究結(jié)果可為廣東省的水土涵養(yǎng)及生態(tài)安全保護(hù)提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣東省位于北緯20°13′～25°31′和東經(jīng)109°39′～117°19′，屬于東亞季風(fēng)區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，是中國(guó)光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一。廣東省年平均氣溫約為19℃～24℃，年平均降水量為1 300～2 500 mm。降雨的空間分布基本上呈南高北低的趨勢(shì)，降水的年內(nèi)分配以及空間分布十分不均勻，4—9月的汛期降水占全年的80%以上。降水年際間差距較大，全省年降水量最大值是最小值的1.84倍，個(gè)別地區(qū)甚至達(dá)到3倍。廣東省水資源時(shí)空分布不均，夏秋易洪澇，冬春常干旱。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用的廣東省86個(gè)站點(diǎn)1960―2018年間的逐日降雨數(shù)據(jù)(20時(shí)至次日20時(shí)降水量)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，站點(diǎn)空間分布見(jiàn)圖1。為保證數(shù)據(jù)的完整連續(xù)性，該中心對(duì)得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行嚴(yán)格檢查，對(duì)個(gè)別缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 研究區(qū)降雨站點(diǎn)空間分布

1.3 研究方法

1.3.1降雨侵蝕力計(jì)算

采取謝云等提出的基于日降雨資料的降雨侵蝕力計(jì)算方法計(jì)算廣東省1960—2018年的降雨侵蝕力值。該方法計(jì)算公式如下[13]：

(1)

式中Ri——第i個(gè)半月的降雨侵蝕力的值，(MJ·mm)/(hm2·h)；j——該半月內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)，j=1,2,…,k，一個(gè)月的前15天被劃分成一個(gè)半月，后面的天數(shù)被劃分成另一個(gè)半月；Pd——日侵蝕性日降雨量(日降雨量大于或等于10 mm)；在暖季(5—9月)，α=0.393 7，在冷季(10月至次年4月)，α=0.310 1。

累加各個(gè)半月的降雨侵蝕力即可得到月、季和年降雨侵蝕力。

本研究采用一元線(xiàn)性回歸方法分析降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)[2]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中b——降雨侵蝕力的斜率趨勢(shì)，當(dāng)b>0，表示降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)，反之下降；Ri——第i年的降雨侵蝕力值；ti——第i年；n——時(shí)間序列總年數(shù)(n=59)。

1.3.2時(shí)空變化分析

為了分析廣東省降雨侵蝕力的突變特征，將采用M-K(Mann-Kendall)突變檢驗(yàn)的方法。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，可不受少數(shù)異常值的干擾，反映時(shí)間序列的突變區(qū)域以及突變開(kāi)始時(shí)間，是一種常用的突變檢測(cè)方法[15]。本研究將利用小波分析對(duì)廣東省降雨侵蝕力進(jìn)行周期分析[16]。小波分析也稱(chēng)為多分辨分析，是建立在經(jīng)典的傅里葉分析和窗口傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種常用的周期分析方法。

為了分析降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征，采用克里金插值方法將86個(gè)站點(diǎn)的多年平均降雨侵蝕力及其變化值進(jìn)行插值，可得到廣東省降雨侵蝕力的空間分布圖和趨勢(shì)變化圖?？死锝鸩逯捣ㄓ址Q(chēng)空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間特征分析

利用1.3節(jié)中式(1)計(jì)算廣東省86個(gè)站點(diǎn)1960—2018年各個(gè)月份的半月降雨侵蝕力，累加到年降雨侵蝕力后再計(jì)算多年平均降雨侵蝕力，再利用克里金空間插值方法將站點(diǎn)侵蝕力插值到全省范圍，得到多年平均降雨侵蝕力空間分布見(jiàn)圖2。廣東省多年平均降雨侵蝕力值的范圍在7 137～14 339 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，全省1960—2018年間的平均值為9 839 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差為1 571 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，表明省內(nèi)降雨侵蝕力分布差異較大。86個(gè)站點(diǎn)中，有37個(gè)站點(diǎn)的多年平均降雨侵蝕力超過(guò)了10 000 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；其中海豐站的多年平均降雨侵蝕力最高，羅定站的多年平均降雨侵蝕力最低。全省降雨侵蝕力分布呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的特征，沿海地區(qū)降雨侵蝕力值較大。

圖2 廣東省1960—2018年多年平均降雨侵蝕力空間分布

利用式(2)計(jì)算省內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)的降雨侵蝕力趨勢(shì)，給定顯著水平α=0.05。結(jié)果顯示，86個(gè)站點(diǎn)中有63個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，23個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)；其中，有10個(gè)站點(diǎn)上升趨勢(shì)顯著，其余趨勢(shì)均不顯著。將站點(diǎn)趨勢(shì)結(jié)果插值到整個(gè)廣東省，結(jié)果見(jiàn)圖3，可見(jiàn)省內(nèi)大多數(shù)區(qū)域降雨侵蝕力都呈上升趨勢(shì)，僅潮州市、汕頭市、揭陽(yáng)市、汕尾市東部、梅州市南部呈下降趨勢(shì)。其中，中山市、珠海市、東莞市、深圳市、廣州市南部以及江門(mén)市南部上升趨勢(shì)均超過(guò)了30 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，表明上述地區(qū)存在土壤侵蝕的潛在危機(jī)。

圖3 廣東省1960—2018年間降雨侵蝕力變化趨勢(shì)空間分布

根據(jù)降雨侵蝕力計(jì)算公式可知，降雨是造成廣東省1960—2018年多年平均降雨侵蝕力空間分布及其變化趨勢(shì)格局核心因素。根據(jù)廖義善等[17]對(duì)近50年廣東省降雨時(shí)空變化及趨勢(shì)研究可知，發(fā)現(xiàn)二者在空間分布和變化趨勢(shì)是一致的，表明本文的研究結(jié)果是合理的。

2.2 降雨侵蝕力時(shí)間特征分析

利用線(xiàn)性回歸方法，分析整個(gè)廣東省在1960—2018年年均降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。結(jié)果表明1960—2018年間，廣東省降雨侵蝕力變化率為16.81 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(置信水平95%)。最小值出現(xiàn)在1963年，僅為5 338 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；最大值出現(xiàn)在2008年，為15 228 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，年均降雨侵蝕力呈整體波動(dòng)上升趨勢(shì)。此外，研究發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕力的年內(nèi)分布差異明顯，其中春季多年平均降雨侵蝕力(3—5月)為2 906 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，夏季多年平均降雨侵蝕力(6—8月)為5 092 (MJ·mm)/(hm2·h·a) ，秋季多年平均降雨侵蝕力(9—11月)為1 630 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，冬季多年平均降雨侵蝕力(12月至次年2月)僅為353 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；春夏兩季降雨侵蝕力占到全年80.1%，而該結(jié)果與廣東省年內(nèi)降雨時(shí)間分布規(guī)律基本一致。1960—2018年春、夏、秋、冬季降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)分別為0.21、17.28、-5.34、4.60 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。在86個(gè)站點(diǎn)中，春季有42個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，其中僅韶關(guān)站通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；夏季有64個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，7個(gè)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；秋季僅34個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；冬季所有站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，其中有9個(gè)站點(diǎn)呈顯著上升趨勢(shì)；這一結(jié)果與冬季降雨量增加的趨勢(shì)相吻合[17]。綜上可知，廣東省降雨侵蝕力總體上升的趨勢(shì)很大程度是由夏季降雨侵蝕力上升決定的。

圖4 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力時(shí)間變化趨勢(shì)

采用M-K法分析廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力突變情況，圖5表明無(wú)顯著的突變。此外，從UF線(xiàn)也可以看出1960—2018年廣東省降雨侵蝕力呈現(xiàn)一種波動(dòng)的趨勢(shì)，并在1993年后呈穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，這與20世紀(jì)90年代以來(lái)暴雨增加的規(guī)律相一致[19]，也間接驗(yàn)證上述趨勢(shì)分析的結(jié)果。

圖5 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力序列突變情況

采用小波分析的方法對(duì)廣東省1960—2018年間年均降雨侵蝕力進(jìn)行變化周期分析，結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍獜V東省在1960—2018年的年均降雨侵蝕力序列存在2.6、3.7、7.0、11.3 a的周期。除11.3 a周期外，其他周期均通過(guò)95%紅噪聲檢驗(yàn)；其中，7.0 a周期的小波方差峰值最高，可認(rèn)為7.0 a為該序列主周期。連續(xù)小波變換圖顯示2005—2010年間存在2.0～2.8 a的變化周期，1961—1967年存在3.2～4.6 a的變化周期，1992—2010年存在4～8 a的變化周期；以上變化周期均通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)。此外，1977—1994年存在9.8～12.1 a的變化周期，但沒(méi)通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)。綜上分析，廣東省在1960—2018年的年均降雨侵蝕力序列存在2～8 a的振蕩周期。

圖6 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力小波分析

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

本研究的分析結(jié)果與羅健等[11]利用25個(gè)站點(diǎn)計(jì)算的1960—2007年多年降雨侵蝕力時(shí)空變化特征基本一致：如時(shí)間趨勢(shì)變化上同樣呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)；空間分布上同樣呈現(xiàn)由南向北遞減的規(guī)律。而對(duì)于多年均值，本研究計(jì)算的結(jié)果較羅健等計(jì)算的值低，符合章文波等[8]提出的日降雨模型在降雨侵蝕力高的地區(qū)存在高估的結(jié)論。降雨侵蝕力的年內(nèi)分布也與羅健等的研究結(jié)果相符：其計(jì)算的汛期(4—9月)降雨侵蝕力占到全年85.4%，而本研究的春夏兩季(3—8月)降雨侵蝕力亦占到了80.1%。而趨勢(shì)分布上的差異主要在集中粵東地區(qū)，羅健等得出的結(jié)論是不顯著的上升，而本文得出的結(jié)論是不顯著的下降；導(dǎo)致這一差異的主要原因有2點(diǎn)：一是本研究的降雨序列更長(zhǎng)；二是沿海地區(qū)降水極易受季風(fēng)影響，且粵東部分站點(diǎn)的年降雨侵蝕力均呈振蕩的形式。蔣秋玲等[19]與劉平等[20]也分析了廣東省降雨侵蝕力時(shí)空變化特征，其降雨侵蝕力的空間分布格局與本文的基本一致，但其平均值總體比本文的結(jié)果大，主要原因是其序列較短，且采取了章文波等所提出的日模型，而該模型存在高估的現(xiàn)象。此外，吳潔玲等[21]分析了1951—2018年韶關(guān)不同量級(jí)降雨侵蝕力變化，得到其年降雨侵蝕力平均值為9 314 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；而本文的所計(jì)算的韶關(guān)片區(qū)降雨侵蝕力在8 000～10 000 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，平均值與吳潔玲等的結(jié)果較為接近。以上驗(yàn)證表明本文所獲得的降雨侵蝕力時(shí)空變化特征結(jié)果是合理的。

3 結(jié)論

以廣東省86個(gè)站點(diǎn)1960—2018年的日降雨資料為基礎(chǔ)，采用Xie模型計(jì)算了該地區(qū)的降雨侵蝕力，并對(duì)其時(shí)空變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，結(jié)論如下。

a)廣東省1960—2018年間年平均降雨侵蝕力為9 839 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，侵蝕力值序列的年際波動(dòng)較大但無(wú)明顯突變；周期分析表明，在1960—2018年的變化主周期為7 a，且存在2～8 a的振蕩周期。

b)多年平均降雨侵蝕力呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的特征，其中沿海地區(qū)降雨侵蝕力值較大；除粵東小部分地區(qū)外，降雨侵蝕力均呈上升趨勢(shì)，其中中山市、珠海市、東莞市、深圳市、廣州市南部以及江門(mén)市南部上升趨勢(shì)尤為明顯。

c)降雨侵蝕力年內(nèi)分布不均，夏季降雨侵蝕力占到全年降雨侵蝕力的51.0%，春夏兩季占到全年降雨侵蝕力的80.1%。

總體而言，廣東省年均降雨侵蝕力值較大且呈上升趨勢(shì)，近幾十年降雨的增加是造成侵蝕力上升的主要原因；因此全省大部分地區(qū)特別是珠三角地區(qū)以及陽(yáng)江沿海地區(qū)存在土壤侵蝕的潛在危機(jī)，需要采取相應(yīng)的生物措施、工程措施、小流域綜合治理等措施以減輕土壤侵蝕的程度，從而降低水土的流失。