1、1960-2014年松花江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究 自然資源學(xué)報(bào),2017,32(2):278-291 JournalofNaturalResourcesDOI:10.11849/zrzyxb.2016024419602014年松花江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究 鐘科元1，鄭粉莉1,2* （1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100； 2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100） 摘要：基于松花江流域及其鄰近61個(gè)氣象站19602014年逐日降雨數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)、小波周期分析和地統(tǒng)計(jì)插值方法，分

2、析流域內(nèi)不同地形區(qū)和子流域年降雨侵蝕力時(shí)空分異特征及其影響因素。結(jié)果表明：1）松花江流域多年平均降雨侵蝕力為1717.6MJmmhm-2h-1a-1，呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，存在以15.2a為主周期和4.7a為小周期的周期性變化布特征基本一致，自東南向西北遞減，與東南季風(fēng)的影響區(qū)域相吻合；流域年降雨侵蝕力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異，在流域西北地區(qū)年降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)，而在中部平原區(qū)的東北部和西南部呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；3）年降雨侵蝕力隨地形的變化表現(xiàn)為東部丘陵山地區(qū)中部平原區(qū)西部山地區(qū)。在東部丘陵山地區(qū)年降雨侵蝕力與經(jīng)度、緯度顯著相關(guān)（P0時(shí)表示呈上升趨勢(shì)，Z1.96，說(shuō)明通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)；采用標(biāo)準(zhǔn)化

3、累積距平識(shí)別降雨侵蝕力時(shí)間序列的突變點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，采用秩檢驗(yàn)法29對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)一步精確檢驗(yàn)，當(dāng)秩檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|U|1.96時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化累積距平識(shí)別突變點(diǎn)將被排除；采用小波分析方法（WaveletAnalysis）30分析降雨侵蝕力的周期性變化規(guī)律；采用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊的反距離權(quán)重插值方法，分析多年平均降雨侵蝕力空間分布及其變化速率。采用Pearson相關(guān)性分析方法，分析不同站點(diǎn)降雨侵蝕力變化與影響因素的相關(guān)性，并采用F值檢驗(yàn)分析顯著性水平。 3）地形區(qū)和子流域的劃分 2期鐘科元等：19602014年松花江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究281 根據(jù)流域地形特征將松花江流域劃分3個(gè)地形區(qū)（圖1）：東

4、部丘陵山地區(qū)、中部平原區(qū)和西部山地區(qū)17，氣象站點(diǎn)數(shù)量分別是10、26和25個(gè)，分別統(tǒng)計(jì)各地形區(qū)降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)及其與降雨量、海拔、經(jīng)度和緯度的相關(guān)性。同時(shí)，根據(jù)流域水系分布，將松花江流域劃分為：嫩江流域（大賚水文站以上）、第二松花江流域（扶余水文站以上）、中游地區(qū)（扶余和大賚水文站以下至佳木斯水文站）和松花江流域（佳木斯水文站以上）（圖1），氣象站點(diǎn)數(shù)量分別是29、18、15和59個(gè)，分析流域內(nèi)各子流域年降雨侵蝕力的空間差異及其影響因素。將12月翌年2月劃分為冬季，35月為春季，68月為夏季，911月為秋季。 2結(jié)果分析 2.1降雨侵蝕力動(dòng)態(tài)變化特征 2.1.1降雨侵蝕力年際變化 松花江

5、流域19602014年平均降雨侵蝕力為1717.6MJmmhm-2h-1a-1，變異系數(shù)為0.20，屬于輕度變異。19602014年流域平均降雨侵蝕力表現(xiàn)為波動(dòng)變化趨勢(shì) 圖2(a)，總體可以分為3個(gè)階段：19601982年為第一階段，此階段降雨侵蝕力表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)；19821998年為第二階段，降雨侵蝕力表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢(shì)；第三階段是19992014年，此階段降雨侵蝕力在經(jīng)過(guò)1999年驟降后，進(jìn)入了波動(dòng)上升階段。采用小波周期分析法對(duì)流域55a降雨侵蝕力序列進(jìn)行分析（圖3），也發(fā)現(xiàn)流域年平均降雨侵蝕力序列存在15.2a的大周期，在大周期內(nèi)存在4.7a的小周期變化，其結(jié)果與5a滑動(dòng)平均結(jié)果趨于

6、一致圖2(a)。 流域年降雨侵蝕力變化趨勢(shì)圖2(a)與年降雨量變化趨勢(shì)圖2(b)基本一致。55a期間，年降雨侵蝕力的最大值與降雨量的最大值出現(xiàn)年份相吻合，兩者均出現(xiàn)在2013年，分別是2586.0MJmmhm-2h-1a-1和684.8mm；而降雨侵蝕力的最小值與年降而降雨量出現(xiàn)在2001年（397.8mm）。降雨侵蝕力的最大值和最小值相差2.2倍，降雨量（0.12）。與降雨量變化相比，降雨侵蝕力的年際變化更加劇烈。 采用標(biāo)準(zhǔn)化序列累計(jì)距平方法，對(duì)55a降雨侵蝕力序列進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)，其結(jié)果表明1966、1982、1998年為突變點(diǎn)（圖4） 。采用秩檢驗(yàn)法對(duì)可能的突變點(diǎn)進(jìn)一步精確檢雨量的最小值不

7、吻合，降雨侵蝕力出現(xiàn)在1976年（1152.6MJmmhm-2h-1a-1），最大值和最小值相差1.7倍，年降雨侵蝕力變異系數(shù)（0.20）大于年降雨量變異系數(shù) 圖219602014年松花江流域年降雨侵蝕力和年降雨量的變化 Fig.2InterannualchangeofrainfallerosivityandprecipitationintheSonghuaRiverBasinfrom1960to2014 282自然資源學(xué)報(bào)32卷 圖3基于小波分析的年降雨侵蝕力動(dòng)態(tài)變化 Fig.3Variationofannualrainfallerosivity basedonWaveletanalysis

8、圖4年降雨侵蝕力突變分析Fig.4Abruptchangesofrainfall erosivity 驗(yàn)，由于1966年秩檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|U|1.96，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。故1982和1998年為松花江流域降雨侵蝕力的突變點(diǎn)，其結(jié)果與降雨侵蝕力5a滑動(dòng)結(jié)果基本一致。 2.1.2降雨侵蝕力季節(jié)變化 流域降雨侵蝕力的季節(jié)變化趨勢(shì)與年際變化趨勢(shì)類似（圖5），春季和冬季呈不顯著增加趨勢(shì)，夏季和秋季呈不顯著降低趨勢(shì)。流域春季平均降雨侵蝕力為135.9MJmmhm-2h-1a-1，占全年降雨侵蝕力的7.5%，19602014年春季降雨侵蝕力呈不顯著增加趨勢(shì)，Z值為0.62，平均每10a增加5.1MJmmhm-2

9、h-1a-1。夏季降雨侵蝕力的變化基本與年際變化相似，平均降雨侵蝕力為1477.9MJmmhm-2h-1a-1 ，占年均降 圖519602014年松花江流域不同季節(jié)降雨侵蝕力變化 Fig.5SeasonalchangeofrainfallerosivityintheSonghuaRiverBasinfrom1960to 2014 2期鐘科元等：19602014年松花江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究283雨侵蝕力的81.5%。秋季平均降雨侵蝕力為195.6MJmmhm-2h-1a-1，占全年降雨侵蝕力的10.8%，在19602014年總體呈不顯著降低趨勢(shì)，Z值為-0.68，每10a減少占全年非常少的

10、部分（0.23%）。 2.2降雨侵蝕力空間變化特征 2.2.1降雨侵蝕力空間分布規(guī)律3.8MJmmhm-2h-1a-1；冬季松花江流域氣溫低，以降雪形式為主，侵蝕性降雨只 利用流域19602014年平均降雨侵蝕力和降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到流域的年降雨侵蝕力和年降雨量空間分布情況（圖6）。年降雨侵蝕力空間分布特征表現(xiàn)為：從東南部的高值區(qū)，向北逐漸降低，即從東南向西北逐漸降低的趨勢(shì)圖6(a)；這與年降雨量的分布規(guī)律一致圖6(b)，年降雨量從東南部的750mm以上逐漸下降至西北部的500mm以1500MJmmhm-2h-1a-1以下。下，降雨侵蝕力則由從東南部的2500MJmmhm-2h-1a-1以上

11、減少至西北部的 圖6松花江流域年降雨量和降雨侵蝕力空間分布 Fig.6SpatialdistributionofrainfallerosivityandprecipitationintheSonghuaRiverBasinduring1960-2014 從分布中心看，年降雨侵蝕力的高值中心與降雨量高值分布中心一致，均位于流域東南部；而降雨侵蝕力的低值中心與降雨量的低值中心不吻合，年降雨侵蝕力的低值中心位于流域西部邊沿的阿爾山和圖里河氣象站附近圖6(a)，而降雨量低值中心位于中部平原區(qū)南部的白城氣象站點(diǎn)附近圖6(b)。這主要是由于中部平原區(qū)南部雖然年降雨量比流域西部邊沿地區(qū)少，但是侵蝕性降雨量比

12、流域西部邊沿地區(qū)多，使得降雨侵蝕力較高，從而導(dǎo)致了降雨侵蝕力低值中心值與降雨量的低值中心不吻合。以西部地區(qū)的阿爾山氣象站和中部平原區(qū)南部的白城氣象站為例，阿爾山55a間年平均降雨量為446.0mm大于白城的388.2mm，但侵蝕性降雨量卻少于白城氣象站（阿爾山194.4mm，白城247.5mm）。 2.2.2降雨侵蝕力空間變化趨勢(shì)分析 為進(jìn)一步分析流域降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)了每一個(gè)氣象站19602014年降雨侵蝕力Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Z值和變異系數(shù)（CV），并基于ArcGIS9.3繪制降雨侵蝕力Z值和變異系數(shù)的空間分布圖（圖7）。 流域降雨侵蝕力趨勢(shì)系數(shù)呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異圖7(a

13、)，在西北地區(qū)降雨侵蝕力呈 增加趨勢(shì)，說(shuō)明需要加強(qiáng)水土保持措施，防范水土流失加劇；中部平原區(qū)的東北部和西 284自然資源學(xué)報(bào)32卷 圖7降雨侵蝕力Mann-KendallZ值和變異系數(shù)的空間分布 Fig.7SpatialdistributionofMann-KendallZvalueandvariationcoefficientofrainfallerosivity 南部分別呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（|Z|中部平原區(qū)西部山地區(qū)；由于季風(fēng)影響逐漸減弱，導(dǎo)致降雨量波動(dòng)增加和侵蝕性降雨量的減少，從而導(dǎo)致降雨侵蝕力變異系數(shù)自東部丘陵山地區(qū)中部平原區(qū)西部山地區(qū)呈增加趨勢(shì)，降雨侵蝕力與降雨量的

14、相關(guān)性自東部丘陵山地區(qū) 中部平原區(qū)西部山地區(qū)呈降低趨勢(shì)。由于東部丘陵山地區(qū)處于背風(fēng)坡，中部平原區(qū)海 286自然資源學(xué)報(bào)32卷拔差異不顯著，所處地形均不利于形成地形雨，西部山地區(qū)處于迎風(fēng)坡，但位于季風(fēng)邊緣，不足以形成有效侵蝕性降雨，因此年降雨侵蝕力與海拔相關(guān)性均不顯著。 2.2.4流域內(nèi)不同子流域降雨侵蝕力分異 為進(jìn)一步分析流域內(nèi)各子流域降雨侵蝕力的變化趨勢(shì)，分別統(tǒng)計(jì)了嫩江流域、第二松花江流域、中游地區(qū)和佳木斯以上的松花江流域降雨侵蝕力分布（表2）。嫩江流域降雨侵蝕力最低（1428.0MJmmhm-2h-1a-1），其次是中游（1633.9MJmmhm-2h-1a-1），第二松花江流域降雨侵蝕力

15、最高（2428.9MJmmhm-2h-1a-1），流域降雨侵蝕力的分布與降雨量的分布規(guī)律一致。流域間變異系數(shù)變化較小，處于0.210.26之間，說(shuō)明降雨侵蝕力年際變異較小。不同流域Mann-Kendall趨勢(shì)系數(shù)均小于0，說(shuō)明降雨侵蝕力均呈下降趨勢(shì)，但均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。 表2松花江流域內(nèi)不同子流域降雨侵蝕力分布特征 Table2Distributioncharacteristicsofrainfallerosivityindifferentsub-riverbasinswithintheSonghuaRiver Basin3討論 利用日尺度降雨資料計(jì)算降雨侵蝕力，可以推廣氣象資料在水土保持

16、研究中的應(yīng)用，為侵蝕模型提供重要參數(shù)，從而提高土壤流失預(yù)報(bào)精度。本文利用松花江流域61個(gè)氣象站逐日雨量資料，分析了松花江流域年降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征及其變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：流域年降雨侵蝕力呈波動(dòng)變化，不存在明顯的變化趨勢(shì)，這與黑龍江省26及長(zhǎng)江上游32、山東省33、西南山地區(qū)8和珠江流域14相關(guān)研究結(jié)論趨于一致（表3）。章文波等34、劉斌濤等16對(duì)中國(guó)大陸的降雨侵蝕力的分析也發(fā)現(xiàn)松花江流域降雨侵蝕力呈不顯著變化趨勢(shì)，與本文研究結(jié)論相類似。 由于地形地貌、降雨特征的差異，不同地區(qū)和地貌條件下降雨侵蝕力也呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)（表3）。如賴成光等14對(duì)珠江流域研究，發(fā)現(xiàn)珠江流域19602012年降雨

17、侵蝕力隨著經(jīng)度增加而增加，但隨緯度增加而減少，珠江流域大部分地區(qū)年降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)。劉斌濤等8對(duì)中國(guó)西南山地區(qū)19602009年降雨侵蝕力研究表明，青藏高原東緣年降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)，而成都平原年降雨侵蝕力呈減少趨勢(shì)，且降雨侵蝕力變化趨勢(shì)系數(shù)隨海拔升高而不斷增加。本研究發(fā)現(xiàn)，松花江流域西北地區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)，中部平原區(qū)的東北部和西南部呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，東部丘陵山地區(qū)降雨侵蝕力與經(jīng)度、緯度相關(guān)性顯著。松花江流域降雨侵蝕力變化與其他區(qū)域的變化趨勢(shì)存在差異，這種差異可能與地區(qū)地形地貌和大氣環(huán)流差異有關(guān)。松花江流域面積較大，東、中、西地形地貌差異顯著，東亞季風(fēng)自東南向西北減弱，從而導(dǎo)致不同地形區(qū)

18、降雨侵蝕力的差異。由于東部丘陵山地區(qū)處于背風(fēng)坡，中部平原區(qū)海拔差異不顯著，西部山地區(qū)處于迎風(fēng)坡，但處于季風(fēng)邊緣，不足以形成有效侵蝕性降雨，因此降雨侵蝕力與海拔相關(guān)性不 2期鐘科元等：19602014年松花江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究 表3中國(guó)不同地區(qū)降雨侵蝕力研究結(jié)果 Table3Researchresultsofrainfallerosivityindifferentregionsin China 287 顯著。在流域西北地區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)，可能與大氣環(huán)流的變化和局地水汽增加有關(guān)，需要加強(qiáng)水土保持措施，防范水土流失加劇。 4結(jié)論 根據(jù)松花江流域及其鄰近61個(gè)氣象站19602014年逐日

19、降雨數(shù)據(jù)，分析了流域內(nèi)不同地形區(qū)和子流域降雨侵蝕力時(shí)空分異特征及其影響因素，得出以下結(jié)論： 1）松花江流域多年平均降雨侵蝕力為1717.6MJmmhm-2h-1a-1，呈波動(dòng)變 化趨勢(shì)，存在以15.2a為主周期、4.7a為小周期的周期性變化特征，并在1982和1998年發(fā)生顯著突變，與降雨量相比，降雨侵蝕力年際變化更加劇烈。 288自然資源學(xué)報(bào)32卷 2）松花江流域降雨侵蝕力空間分布與降雨量分布特征基本一致，自東南向西北遞減，與東南季風(fēng)的影響趨勢(shì)相吻合；降雨侵蝕力的高值中心與降雨量的高值中心相吻合，而降雨侵蝕力的低值中心與降雨量的低值中心不吻合；流域降雨侵蝕力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的地區(qū)分異，在西北

20、地區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)，中部平原區(qū)的東北部和西南部分別呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 3）降雨侵蝕力與降雨量呈高度相關(guān)，且東部丘陵山地區(qū)中部平原區(qū)西部山地區(qū)；東部丘陵山地區(qū)降雨侵蝕力與經(jīng)度、緯度相關(guān)性顯著（P0.01），全流域降雨侵蝕力與海拔、經(jīng)度和緯度均存在一定的相關(guān)性，且通過(guò)0.05水平檢驗(yàn)。 4）流域內(nèi)各子流域降雨侵蝕力存在明顯分異，即降雨侵蝕力在各子流域的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為從第二松花江流域到流域中游再到嫩江流域呈依次降低趨勢(shì)，與降雨量的分布一致，各子流域降雨侵蝕力均呈不顯著的降低趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)(References): 1LIUBY,ZHANGKL,XIEY.Anempiricalsoillosseq

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47、e-yuan1,ZHENGFen-li1,2 (1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau, InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservationCAS&MWR,Yangling712100,China) Abstract：Soilerosionisoneofthemostseriousglobalecologicalenvironmentalissuesandrainfallerosivityisanimportantparameterinfluencingsoilloss.Thispaperanalyzedspatialandtemporalvariationcharacteristicsofrainfallerosivityindifferentmorphologicregionsandsub-riverbasinswithintheSon