吳明作，何瑞珍，安樹青，楊喜田，張軍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，450002，鄭州;2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，210093，南京)

河南省降雨侵蝕力時(shí)空變異特征

吳明作1，何瑞珍1，安樹青2，楊喜田1，張軍1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，450002，鄭州;2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，210093，南京)

利用河南省119個(gè)氣象臺(tái)站自建站始至2003年的逐日降雨量資料，計(jì)算其所代表縣(市)的逐年與平均降雨侵蝕力，并利用GIS等工具分析河南省降雨侵蝕力的時(shí)空變異特征。結(jié)果表明：河南省多年年均降雨侵蝕力總體趨勢(shì)是由北向南遞增，最大值出現(xiàn)在南部的新縣、雞公山、商城與桐柏、平輿，其值均超過(guò)7 000mJ·mm/(hm2·h·a);河南省多年年均降雨侵蝕力排序結(jié)果可分為5個(gè)區(qū)域等級(jí)，基本與等值線一致;河南省各地的降雨侵蝕力在不同年份變異較大，F(xiàn)FT(快速傅立葉變換)表明無(wú)明顯的年際周期性規(guī)律;河南省降雨侵蝕力的年內(nèi)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為單峰型，侵蝕主要發(fā)生在7—9月份，集中度在北部區(qū)域均超過(guò)60%;河南省降雨侵蝕力與年侵蝕性降雨量或年侵蝕性降雨量和逐日侵蝕性降雨量之間存在極顯著的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.967 2和0.994 2。

降雨侵蝕力;時(shí)空變異;GIS;排序;集中度;河南省

降雨侵蝕力反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是計(jì)算水土流失的重要因子之一［1-3］，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，多數(shù)研究探討了降雨侵蝕力的不同算法及其實(shí)例應(yīng)用［4-6］，如利用常規(guī)氣象資料的簡(jiǎn)化算法［6-7］、不同算法的比較與分析［7-9］，以及采用GIS工具研究其時(shí)空格局特征［10-11］。對(duì)河南省降雨侵蝕力也進(jìn)行了算法［12-13］、變異特征［13-14］、土壤侵蝕評(píng)估等研究［15］，但所用資料或者局限于某一區(qū)域，或者年度較短［3，5，10，14］，或者只針對(duì)空間、時(shí)間的單一變化［16-19］，難以闡明較大范圍與較長(zhǎng)時(shí)間的變異特征。筆者采用河南省119個(gè)氣象站點(diǎn)自建站至2003年間不同年限的逐日降雨量資料，在GIS工具的支持下，分析所代表縣(市)的年降雨侵蝕力的空間變異格局，并采用排序方法劃分基本變化區(qū)域，同時(shí)對(duì)年降雨侵蝕力年際與年內(nèi)的時(shí)間變化特征進(jìn)行比較分析，以期為河南省土壤侵蝕預(yù)測(cè)、水土保持規(guī)劃與決策、流域分區(qū)治理與管理等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省位于 E110°21'～116°39'，N31°23'～36°22'之間，面積16.7萬(wàn)km2，屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫穩(wěn)定在14℃左右，大致由北向南、由西向東遞增，年平均降水量600～1 200mm，時(shí)間與空間分布不均勻，5—8月占全年降水量的70%以上，淮南降水最多達(dá)1 200mm，黃淮之間700～900mm，豫西、豫北山地在600～700mm之間。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

自河南省氣象局收集了河南省內(nèi)119個(gè)氣象站點(diǎn)自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年間的逐日降雨量資料，各臺(tái)站氣象資料年限為11 a的25個(gè)、19 a的7個(gè)、20～30 a的4個(gè)，其余的均在30 a以上，50 a以上有11個(gè)，最長(zhǎng)的為53 a。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用半月逐日雨量模型計(jì)算降雨侵蝕力。先逐年計(jì)算各半月的降雨侵蝕力，匯總后得到各月、各年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力，計(jì)算公式［6，20］如下：

式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h);k為該半月時(shí)段內(nèi)的時(shí)間，d;Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的日降雨量，mm，要求日降雨量≥12mm，否則以0計(jì)算，12mm與侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng);α，β為模型參數(shù)，根據(jù)區(qū)域降雨特征進(jìn)行計(jì)算;Pd12為日降雨量≥12mm的日平均降雨量，mm;Py12為日降雨量≥12mm的年平均降雨量，mm。

計(jì)算出降雨侵蝕力后，采用相關(guān)指標(biāo)來(lái)分析其變化特征。其中，變化傾向率以每10 a的變化量表示，即降雨侵蝕力與時(shí)間系列一元直線回歸斜率的10倍［16］，集中度采用連續(xù)3個(gè)月降雨侵蝕力之和占當(dāng)年降雨侵蝕力的比例表示［20］。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行一般計(jì)算與回歸分析，利用GIS工具繪制空間等值線圖，采用Canoco for Windows 4.5軟件進(jìn)行排序、ForStat 2.1進(jìn)行聚類與趨勢(shì)面分析，采用OriginPro 8.0軟件進(jìn)行年際變化周期性的FFT(快速傅里葉變換)分析。分析過(guò)程均采用各軟件缺省值。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力的空間分布特征

不同區(qū)域的模型參數(shù)值α、β有較大差異。經(jīng)計(jì)算，參數(shù) α的取值在0.56～1.91之間，平均為1.27;參數(shù) β的取值在1.40～1.66之間，平均為1.49。與參數(shù)α相比，參數(shù)β區(qū)域變化的空間差異相對(duì)較小。

利用各站點(diǎn)模型參數(shù)計(jì)算所代表縣(市)的降雨侵蝕力，在GIS工具支持下繪制的降雨侵蝕力空間分布格局見圖1。結(jié)合各站點(diǎn)經(jīng)緯度與ForStat 2.1工具進(jìn)行趨勢(shì)面分析，結(jié)果見圖2。

由圖1可知，河南省多年平均降雨侵蝕力的空間變異較大，這與許多報(bào)道［16-20］一致。圖2與圖1的結(jié)果基本一致，河南省的降雨侵蝕力隨緯度增加(由南向北)逐漸減輕，隨經(jīng)度變化不太明顯，但在較高緯度(北部)區(qū)域，隨經(jīng)度增加(由西向東)有所增加，其分布特征與雨量分布及由此引起的土壤侵蝕均一致［14-15，20］。故可認(rèn)為：河南省降雨侵蝕力空間變化的基本趨勢(shì)是由北向南遞增，并在北部區(qū)域由西向東遞增，在南部和中南部地區(qū)較大，在北部、西部和西北部邊緣處較低，西南部、中部處于中等水平;在南部的新縣、雞公山、商城、桐柏與平輿等地形成降雨侵蝕力的最高值中心，侵蝕力值均在7 000mJ·mm/(hm2·h·a)以上，在中南部的南召、方城、社

圖1 河南省降雨侵蝕力空間分布格局(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．1 Spatial distribution pattern of rainfall erosivity in Henan Province

旗與南部的唐河、泌陽(yáng)、信陽(yáng)一帶形成降雨侵蝕力較高值，侵蝕力值在5 000 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間，在西部的三門峽、靈寶、盧氏、洛寧，北部的濟(jì)源、焦作、沁陽(yáng)、偃師一帶形成降雨侵蝕力的低值中心，侵蝕力值在 2 300mJ·mm/(hm2·h·a)左右。

圖2 河南省降雨侵蝕力空間變化趨勢(shì)面分析(MJ·mm/(hm2·h·a))Fig．2 Spatial trend analysis of rainfall erosivity in Henan Province

利用降雨侵蝕力數(shù)據(jù)，由ForStat 2.1進(jìn)行聚類(采用最短距離、系統(tǒng)聚類)，由Canoco for Windows 4.5進(jìn)行DCA排序(數(shù)據(jù)經(jīng)平方和轉(zhuǎn)換)，結(jié)果見圖3?？芍?，因采用指標(biāo)有所不同，排序結(jié)果圖與等值線分布圖基本一致但稍有差別，結(jié)合聚類結(jié)果與具體數(shù)據(jù)綜合分析，除個(gè)別站點(diǎn)外，自左至右基本上對(duì)應(yīng)了降雨侵蝕力由小到大的變化趨勢(shì)，并可分為以下9個(gè)區(qū)域。

1)區(qū)域Ⅰ～Ⅳ：主要為河南省西部與西北部地區(qū)，降雨侵蝕力 ＜3 500mJ·mm/(hm2·h·a)，多數(shù)在2 000mJ·mm/(hm2·h·a) 以下。

2)區(qū)域Ⅴ：主要為南陽(yáng)盆地，降雨侵蝕力在3 500mJ·mm/(hm2·h·a) 左右。

3)區(qū)域Ⅵ：包括的地區(qū)范圍較大，主要為河南省北部、中部與東部平原地區(qū)，降雨侵蝕力變化范圍也較大，多數(shù)在 3 500 ～5 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間。

4)區(qū)域Ⅶ～Ⅷ：主要為河南省南部的駐馬店與信陽(yáng)地區(qū)，降雨侵蝕力較大，多在5 500～6 500mJ·mm/(hm2·h·a)之間，少數(shù)在 6 500 ～7 000mJ·mm/(hm2·h·a)之間。

5)區(qū)域Ⅸ：主要為河南省南部的信陽(yáng)地區(qū)與南陽(yáng)的桐柏縣，為降雨侵蝕力最大值所在區(qū)域，其值均超過(guò) 7 000mJ·mm/(hm2·h·a) 。

可見，也可采用聚類與排序方法進(jìn)行降雨侵蝕力的區(qū)域劃分，從而有利于水土流失的區(qū)域劃分與分區(qū)治理。

3.2 降雨侵蝕力年際變化特征

因地點(diǎn)太多，故依據(jù)等值線圖與排序圖以及聚類結(jié)果，并結(jié)合河南省實(shí)際情況，沿京廣線、隴海線并重點(diǎn)考慮西部山區(qū)，選取如下14個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間變化分析：平原區(qū)域由北向南的安陽(yáng)、鄭州、民權(quán)、許昌、駐馬店與東部省界的永城、固始，西部山區(qū)由北向南的焦作、靈寶、汝陽(yáng)、西峽、淅川(為南水北調(diào)水源地)、桐柏、新縣。各地點(diǎn)資料年限均在40 a以上，且分別位于河南省的北、中、東、西北、西南、南各個(gè)區(qū)域，基本可以代表河南省的情況。

圖3 河南省降雨侵蝕力排序結(jié)果Fig．3 Ordination result of rainfall erosivity of different sites in Henan Province

各地點(diǎn)不同年份的降雨侵蝕力以及相關(guān)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)見表1。可以看出，各地點(diǎn)降雨侵蝕力的年際變化很大，最大值與最小值的比值、最大值與平均值的比值、變異系數(shù)和傾向率均較大，但與平均值沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，在空間格局中也沒有規(guī)律性。

表1 降雨侵蝕力年際變化統(tǒng)計(jì)特征Tab．1 Yearly change of statistic characters of rainfall erosivity in Henan Province

河南省降雨侵蝕力的變異系數(shù)在18.9%(新鄭市)～88.7%(西平縣)之間變動(dòng)，平均44.9%，空間分布上大致有3個(gè)高值中心：中部駐馬店地區(qū)的西平、上蔡、平與等地，多數(shù)均在60%以上;沿黃河地區(qū)原陽(yáng)、鞏義、武陟、修武等地，以及東北部地區(qū)的濮陽(yáng)、浚縣、臺(tái)前等地，其值多在50%以上，其他地區(qū)除少數(shù)外均在50%以下;較低值多出現(xiàn)在商丘地區(qū)及其向許昌延伸一帶，以及西南部、南部的南陽(yáng)、信陽(yáng)等地。

傾向率值在-2 376.6(蘭考縣)～2 432.9(遂平縣)之間變動(dòng)。所有地點(diǎn)中，降雨侵蝕力可能增加的占46.2%，可能減少的占53.8%，但趨于惡化的地區(qū)仍然較多，在水土保持規(guī)劃與水土流失治理時(shí)應(yīng)引起重視。

除個(gè)別地點(diǎn)外，降雨侵蝕力最大值與平均值的比值、最大值與最小值的比值基本上均表現(xiàn)出與變異系數(shù)較一致的變動(dòng)特征，凡變異系數(shù)出現(xiàn)高值的地點(diǎn)，其2個(gè)比值也較大(但只有最大值與平均值的比值與變異系數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.916 6)，而傾向率的變化與上述3個(gè)指標(biāo)的變化并不完全一致，說(shuō)明單獨(dú)使用傾向率指標(biāo)并不能說(shuō)明一個(gè)地區(qū)的降雨侵蝕力情況，應(yīng)結(jié)合其他數(shù)據(jù)使用。

所選取14個(gè)站點(diǎn)不同年份降雨侵蝕力變化曲線見圖4?？芍?，各個(gè)地點(diǎn)不同年份的降雨侵蝕力均具有較大變化，而且會(huì)出現(xiàn)某些年份達(dá)到很高水平，所以，在水土流失治理時(shí)應(yīng)引起重視。

圖4 河南省不同區(qū)域降雨侵蝕力不同年份的變化曲線Fig．4 Yearly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

通過(guò)Origin8 Pro的FFT(快速傅里葉變換)分析(hamming算法，平方和法計(jì)算振幅)表明，各地點(diǎn)降雨侵蝕力的年際變化并沒有明顯的同期性，而通過(guò)Forstat 2.1時(shí)間序列的諧波分析 (矩陣求和法，顯著度90%)表明，除靈寶、民權(quán)、汝陽(yáng)、淅川、許昌、永城、鄭州有一個(gè)約6 a的周期、鄭州另有一個(gè)約9 a的周期、駐馬店另有一個(gè)約20 a的周期外，多數(shù)地點(diǎn)還有一個(gè)約3 a的小周期。3 a的小周期在長(zhǎng)期變化上似乎可信度較小，且擬合性較差。從實(shí)際值的年際變化(圖4)也看不出規(guī)律性，故綜合分析認(rèn)為，降雨侵蝕力的年際變化并沒有明顯的年際同期性，因?yàn)榻涤昵治g力主要取決于降雨量與降雨強(qiáng)度，而一個(gè)地點(diǎn)的降雨量、降雨強(qiáng)度本身并沒有良好的年際變化規(guī)律，因此，可以認(rèn)為，降雨侵蝕力的年際變化基本上是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，取決于氣象要素的變化。

3.3 降雨侵蝕力年內(nèi)變化特征

以上述選取的14個(gè)代表性地點(diǎn)計(jì)算不同月份的多年平均降雨侵蝕力的變化情況，結(jié)果見圖5?？梢钥闯觯汉幽鲜?nèi)各區(qū)域降雨侵蝕力的年內(nèi)變異規(guī)律均是 7—9月份大、其余月份小的單峰型式［10，16］，這與河南省降雨多集中于這幾個(gè)月份是相關(guān)的;但因?yàn)樵撈陂g降雨的集中程度有差異，表現(xiàn)在降雨侵蝕力的集中程度上也有差別。在北部區(qū)域(圖5(a))，7—9月份降雨侵蝕力的集中度一般均超過(guò)60%，5—10月份的可達(dá)90%以上，峰頂較明顯;而在南部區(qū)域(圖5(b))，7—9月份降雨侵蝕力的集中度在65%以下，5—10月份的在90%以下，峰頂較寬。說(shuō)明在河南省南部區(qū)域，因降雨相對(duì)較為分散，全年均可能發(fā)生較大的水土流失，而在北部區(qū)域，因降雨相對(duì)較為集中，發(fā)生水土流失的時(shí)期主要集中在7—9月份。

3.4 降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的相關(guān)性

河南省多年降雨侵蝕力變化范圍在2 061.3～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之間，多年平均侵蝕性年降雨量變化范圍在353.7～1 038.5mm之間。降雨侵蝕力與年均降雨量間的相關(guān)系數(shù)為0.967 0，與年均降雨量和多年平均的侵蝕性日降雨量復(fù)合的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.994 4，均達(dá)極顯著相關(guān)水平，但與多年平均日降雨量的單一相關(guān)系數(shù)只有0.631 5(圖6)。用散點(diǎn)圖擬合時(shí)，部分地點(diǎn)以乘冪關(guān)系較為理想，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.712 7，其原因可能與降雨強(qiáng)度有關(guān)。

圖5 河南省不同區(qū)域降雨侵蝕力月變化曲線Fig．5 monthly change of rainfall erosivity in different regions in Henan Province

對(duì)上述14個(gè)地點(diǎn)不同年份的降雨侵蝕力與侵蝕性年均降雨量、平均日降雨量進(jìn)行回歸，結(jié)果見表2。可知，降雨侵蝕力與侵蝕性平均日降雨量的相關(guān)性比較小，難以建立良好的回歸式用于預(yù)測(cè);但與侵蝕性年降雨量的相關(guān)性均較好，其相關(guān)系數(shù)均在極顯著水平上并超過(guò)0.91，而與侵蝕性年降雨量、平均日降雨量2個(gè)參數(shù)的復(fù)合相關(guān)性也較好，其相關(guān)系數(shù)在極顯著水平上均超過(guò)了0.96，因此，可以認(rèn)為，以侵蝕性年降雨量、平均日降雨量共同預(yù)測(cè)降雨侵蝕力，可能會(huì)比單用其中一個(gè)因子的效果要好些。

4 結(jié)論與討論

1)河南省多年平均降雨侵蝕力變化范圍在2 061.3 ～9 258.7mJ·mm/(hm2·h·a)之間，具有較強(qiáng)的時(shí)空變異特征，總體趨勢(shì)為南部、中南部較大，最大值出現(xiàn)在雞公山、新縣、商城、桐柏與平輿等地，年均值超過(guò) 7 000mJ·mm/(hm2·h·a);排序結(jié)果可分為9個(gè)區(qū)域，基本上與等值線相對(duì)應(yīng)，聚類與排序方法可用于降雨侵蝕力、水土流失區(qū)域劃分與分區(qū)治理中。

圖6 降雨侵蝕力與降雨量之間的相關(guān)性Fig．6 Relationship between rainfall erosivity and yearly precipitation

表2 降雨侵蝕力與降雨量之間的相關(guān)系數(shù)Tab．2 Correlation coefficient between rainfall erosivity and precipitation

2)降雨侵蝕力具有較明顯的年際變化動(dòng)態(tài)，無(wú)明顯的周期性年際變化規(guī)律，降雨侵蝕力的變異系數(shù)范圍在18.9% ～88.7%之間，空間分布上大致有3個(gè)高值中心;傾向率的變動(dòng)范圍在-2 376.6～2 432.9之間，但其變化與其他指標(biāo)并不一致。可知，單獨(dú)使用傾向率不能說(shuō)明一個(gè)地區(qū)的降雨侵蝕力情況，應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)一起使用。

3)河南省降雨侵蝕力的年內(nèi)變化均是單峰型式的，北部區(qū)域一般峰頂較明顯，而南部區(qū)域峰頂較寬，在制定水土流失區(qū)劃、防治或治理分區(qū)時(shí)應(yīng)引起重視。

4)降雨侵蝕力與侵蝕性年降雨量、侵蝕性年降雨量和日降雨量復(fù)合因子均具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均可超過(guò)0.91并具有極顯著水平，但與侵蝕性日降雨量的相關(guān)性較小?？芍郧治g性年降雨量、平均日降雨量為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)降雨侵蝕力要比單獨(dú)用其中一個(gè)因子的效果好。

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Spatial and temporal variations of rainfall erosivity in Henan Province

Wumingzuo1，He Ruizhen1，An Shuqing2，Yang Xitian1，Zhang Jun1
(1.College of Forestry，Henan Agricultural University，450002，Zhengzhou;2.School of Life Science，Nanjing University，210093，Nanjing：China)

Rainfall is themain factor that causes soil erosion，and rainfall erosivity is themain dynamic index.So，accurately estimating the rainfall erosivity and analyzing its spatial and temporal variation is the key to predict soil erosion.Using the daily rainfall data of 119meteorological sites in Henan Province from the year the site establishing to the year 2003，this paper calculated the rainfall erosivity of 119 sites in Henan Province，and analyzed its spatial and temporal variation.The results showed that：the yearly average rainfall erosivity in Henan Province generally increases from north to south，and themaximum value appears in Xinxian County，Jigongshanmountain，Shangcheng County，Tongbai County and Pingyu County in the southern part of Henan Province，where erosivity are all above 7 000mJ·mm/(hm2·h·a).According to yearly average rainfall erosivity，Henan Province can be classified 5 regional zones，which are consistent with rainfall erosivity isoline.The rainfall erosivity of all sites varies significantly with different years and has no yearly periodical principle by fast fourier transform(FFT).In one year period，the erosivity shows amono-peak type，andmainly occurs in July to September with the concentration rate of 60%in the northern part.The erosivity has significant relationship with yearly erosion precipitation or the yearly erosion precipitation and daily erosion precipitation，and the correlation coefficient are 0.967 2 and 0.994 2，respectively.

rainfall erosivity;spatial and temporal variation;GIS;ordination;concentration rate;Henan Province

2011-12-15

2012-03-22

國(guó)家科技部重大專項(xiàng)“淮河流域水生態(tài)功能一級(jí)、二級(jí)分區(qū)”(2008ZX07526-002-03);淮河水利委員會(huì)“淮河流域水土保持生態(tài)修復(fù)機(jī)理和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究(伏牛山區(qū)片)”(2007-2009)

吳明作(1965—)，男，博士，副教授。主要研究方向：生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。E-mail：wumingzuo@hotmail.com

(責(zé)任編輯：宋如華)