近百年中國西南降雨侵蝕力反演計算與時空格局演變

操 玥,王世杰,,白曉永,,*,李匯文,王明明,吳路華

1 中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室,貴陽 550081 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站,安順 562100

我國西南地區生態系統復雜多樣,生物多樣性和水資源等自然資源豐富,是我國重要的生態屏障區。然而該地區地貌類型復雜、分布著高原、高山峽谷、喀斯特地貌等,同時也是我國生態極為敏感和脆弱的區域。該地區是我國少數民族和貧困人口集中分布的區域,長期而強烈的人類活動對原生生態系統破壞嚴重,土壤侵蝕十分嚴重[1]。降雨侵蝕力是降雨的潛在能力,是反映區域資源環境承載能力的重要指標[2],是導致土壤侵蝕產生和發展的直接原因,當滲透能力飽和時就會形成地表徑流從而引起土壤侵蝕。降雨侵蝕力是控制土壤侵蝕最重要的因子之一,其時空分布在一定程度上決定了土壤侵蝕的空間分布規律,因而在長時間尺度上準確估算降雨侵蝕力并對其空間分布和演變有清晰的掌握對于估算區域土壤侵蝕十分必要,更對明確長時間尺度上區域生態安全格局及其演化具有重要意義。目前, 采用次降雨總動能E和最大30 min降雨強度(I30)的乘積(EI30)表示降雨侵蝕力的算法被國內外學者認為是R的經典算法[3]。但是,由于次降雨過程指標計算繁瑣以及資料獲取困難,EI算法在實際應用推廣中受到極大限制。因此,國內外學者根據日、月、年降雨量資料提出了多種計算降雨侵蝕力的簡易模型,如基于日降雨量資料的CREAMS模型[4]、Richardson模型[5]、章文波等提出的簡易算法模型[3],基于月降雨量的Silva等[6]、Wischmeier等[7]、周伏建等[8]提出的模型,為計算流域尺度乃至區域尺度的降雨侵蝕力提供了參考。然而,西南地區地跨多種地貌類型和氣候類型,對氣候變化非常敏感,在研究降雨侵蝕力的過程中必須要關注氣候變化對降雨侵蝕力的影響[9]。當前的研究多是基于氣象站點的觀測數據而進行的,難以反演出百年尺度降雨侵蝕力的演變情況。有鑒于此,本文通過全球百年尺度CRU_TS4.01逐月降雨數據,反演計算近百年中國西南降雨侵蝕力,并分析其時空格局演變過程,對于西南地區的土壤侵蝕研究與防治及生態恢復與重建具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究的中國西南地區是指21°08′—36°29′N、87°22′—112°03′E的范圍,它包括了我國西南地區的云南、貴州、廣西、四川、重慶及西藏、青海的部分地區。研究區地貌復雜,橫跨青藏高原東南、四川盆地、云貴高原、廣西丘陵等地[10],是我國水土流失最嚴重的區域之一。作為西南山區土壤侵蝕的主要動力因素,降雨侵蝕力在西南山區土壤侵蝕研究和水土流失監測、預報和防治中起著至關重要的作用[9]。

1.2 數據來源

研究采用的數據由英國東英吉利大學氣候研究中心(Climatic Research Unit, CRU)提供的CRU_TS4.01數據庫[11]。該數據庫通過整合已有的若干個數據庫,重建了一套覆蓋完整且無缺測的月平均地表氣候要素數據集,時間范圍為1901—2016年,覆蓋全球0.5°經緯網格的所有陸地(除南極洲),該數據集已經被廣泛應用于全球氣候變化研究中,其精度和適用性也在多項研究中得到了驗證,精度可靠[12-13]。本研究使用了該數據庫中的降雨數據,包括了從1901年1月至2016年12月的逐月降雨數據。

1.3 降雨侵蝕力的計算

本研究基于月降雨數據采用下式計算降雨侵蝕力[6]：

(1)

式中,EI30i表示月均降雨侵蝕力(MJ mm hm-2h-1)；Pi為第i個月的降雨量；Pa為年平均降雨量。年均降雨侵蝕力為一年中月降雨侵蝕力的總和。研究表明[14],該方法在地形復雜地區精度較高。

1.4 降雨侵蝕力的年際變化趨勢

降雨侵蝕力的年際變化趨勢,以各柵格多年數值最小次方線性回歸方程的斜率表示[15],具體公式如下：

(2)

式中,n為116,i為年序號,MR, i為第i年的降雨侵蝕力。其中,當k>0時,說明降雨侵蝕力在116年間的變化趨勢是增加的；反之,則減少。

2 結果與分析

2.1 百年平均降雨侵蝕力的空間分布特征

圖1 年平均降雨侵蝕力的空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual average rainfall erosivity (1901—2016)

由圖1西南地區百年平均降雨侵蝕力的空間分布圖可見,整個西南地區降雨侵蝕力的地域差異十分明顯,總體表現為：形成青藏高原-四川盆地以及云貴高原-廣西丘陵兩條樣帶,由西北向東南逐級增加的空間分布格局。青海省、西藏自治區大部分區域及四川的西北部分地區百年平均降雨侵蝕力在4000 MJ mm hm-2h-1a-1以下,廣西、云南、貴州、重慶、四川及西藏東南部降雨侵蝕力在4000 MJ mm hm-2h-1a-1以上,其中,西藏自治區北部的那曲地區及青海省西南部的玉樹藏族自治州最小,為1500 MJ mm hm-2h-1a-1以下,廣西東南部及西藏自治區東南部的林芝地區最大,為7500 MJ mm hm-2h-1a-1以上。降雨侵蝕力的空間分布與降雨量的分布基本一致,這是因為年降水豐富的地區一般情況下降雨侵蝕力要相應高一些。從高原到盆地、丘陵降水量明顯增加,降雨侵蝕力也隨之增加,從高原年降水量低于200 mm的區域增加到2000 mm以上,而降雨侵蝕力增加的量要比降水大得多,由小于1500 MJ mm hm-2h-1a-1增加到7500 MJ mm hm-2h-1a-1以上,出現兩者增加的量不一致的原因是降雨強度起了關鍵的作用[16]。由圖1可以看出,西南地區降雨侵蝕力等級面積自1500 MJ mm hm-2h-1a-1開始由低到高呈緩慢增加趨勢,自4000 MJ mm hm-2h-1a-1減少后又迅速增加,自5000 MJ mm hm-2h-1a-1后各個侵蝕力等級的面積逐步減少。西南地區的降雨侵蝕力多分布于4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1這一區間,其分布面積達到了97.16萬km2,約占到西南地區總面積的34.11%。

2.2 降雨侵蝕力年內分配的空間分異

圖2 月平均降雨侵蝕力的空間分布Fig.2 Spatial distribution of average monthly rainfall erosivity (1901—2016)

西南地區百年尺度年內月平均降雨侵蝕力空間分布如圖2所示。由圖2可知,12月、1月、2月及3月降雨侵蝕力呈現東南、西北部高、中間低的空間分布格局,其余月份的空間分布與全年空間分布基本一致。全年1—12月整體呈現出月降雨侵蝕力高值區從東南/西北部向中部移動再轉回東南/西北部的變化趨勢。廣西壯族自治區因其受冬夏季風交替和地理環境影響顯著[17],全年雨量豐富,因此成為月降雨侵蝕力的相對高值區。而12月、1月、2月、3月、4月、5月及9月份的降雨侵蝕力最小值都出現了0,除4月和5月的0值出現在青海省西南部外,其余的0值都多出現在西藏自治區,這是因為該地區在冬季和春季降水十分稀少,局部地區甚至整月無降雨,因此也不會產生降雨侵蝕力。全年中,5—11月的月降雨侵蝕力最大值都達到了900 MJ mm hm-2h-1以上,而這個時間段正是農作物大面積收獲的季節,地表裸露的時間較長,因此在這些月份有必要加強該地區水土流失治理工程的建設,保護植被,重點防范侵蝕性降雨帶來的各種災害。

按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)對西南地區各個區域進行統計,結果如表1所示。

表1 西南地區百年降雨侵蝕力的季節變化

由表1可以看出,西南地區的年內降雨侵蝕力最大值出現在西藏自治區的夏季,3個月累計為5601.57 MJ mm hm-2h-1,最小值出現在西藏自治區的冬季,為0。在降雨侵蝕力的季節變幅方面,西藏自治區夏季最大,為5193.02 MJ mm hm-2h-1,青海省的冬季最小,為16.59 MJ mm hm-2h-1。整個西南地區四個季節的降雨侵蝕力大小依次為夏季>秋季>春季>冬季。西南地區的氣候條件使得該地區的降雨多分布于夏秋兩季,導致各個地區在夏季和秋季的累計降雨侵蝕力占到了全年降雨侵蝕力的75.84%—96.09%,其中季節最大降雨侵蝕力出現在西藏自治區的夏季,比例達到了74.2%,對于整個西南地區而言,夏秋兩季對于全年降雨侵蝕力的貢獻率達到了86.66%,青海省以及西藏自治區甚至超過了90%。因此,在降雨侵蝕力較強的這兩個季節應該更加重視滑坡、泥石流的防治并采取相應的預警預報措施。

2.3 降雨侵蝕力年際變化的空間分異及趨勢分析

圖3 降雨侵蝕力的年際變化特征Fig.3 Inter-annual variation characteristics of rainfall erosivity (1901—2016)

按照行政區劃分區統計了西南地區各個省份百年來的年均降雨侵蝕力(圖3),其中,廣西自治區年均降雨侵蝕力的最小值出現在1989年,為4408.79 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1994年,為7454.60 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5885.84 MJ mm hm-2h-1a-1；貴州省年均降雨侵蝕力的最小值出現在2011年,為4011.37 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1954年,為6394.25 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5036.77 MJ mm hm-2h-1a-1；重慶市最小值出現在1902年,為3608.22 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1915年,為6733.71 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4855.55 MJ mm hm-2h-1a-1；云南省最小值出現在1906年,為3943.17 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1918年,為6558.52 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5310.42 MJ mm hm-2h-1a-1；四川省最小值出現在2006年,為3354.68 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1915年,為5211.50 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4044.44 MJ mm hm-2h-1a-1；西藏自治區最小值出現在1994年,為2643.99 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1962年,為4058.11 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為3406.51 MJ mm hm-2h-1a-1；青海省最小值出現在1956年,為1328.71 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在2014年,為2431.21 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為1917.62 MJ mm hm-2h-1a-1；西南地區最小值出現在1992年,為3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現在1915年,為4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1。除青海1901—1935年外,西南各地區年均降雨侵蝕力呈現有增有減的波動分布。

為了進一步探究西南地區百年以來降雨侵蝕力的變化特征,我們基于像元進行了趨勢分析。當前,年際變化趨勢k值的劃分并沒有統一標準[18],考慮到研究區中降雨侵蝕力的整體分布情況,通過計算k值的變化,研究發現k值基本符合正態分布,故利用自然間斷點分級法并向向下取整,將降雨侵蝕力變化劃分為9個等級,分別為劇烈減少(k≤-4)、重度減少(-4

圖4 降雨侵蝕力的變化特征空間分布及分區統計Fig.4 Spatial distribution (a) and zoning statistics (b) of rainfall erosivity variation characteristics

3 討論

降雨侵蝕力是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,它是評價這種潛在能力的一個動力指標。降雨侵蝕力的計算及其柵格數據的獲取,是基于土壤侵蝕模型預報土壤流失量的關鍵所在[19]。本研究基于CRU_TS4.01數據集,彌補了中國西南20世紀前半期缺少觀測數據的空缺[13],反演計算了1901到2016年中國西南逐月降雨侵蝕力,并累加到全年。在此基礎上,分析了整個西南地區降雨侵蝕力的時空分布格局,探討了其年內的分布狀況,研究了百年尺度降雨侵蝕力的年際變化并進行了趨勢分析,本研究的結果對于未來進一步分析我國西南地區土壤侵蝕的時空演變格局以及生態安全格局的形成和演化機制具有十分重要的參考價值。

然而,本研究在取得一些認識的同時,也存在一些不足。圖3中,青海省1901—1935年的年降雨侵蝕力無明顯變化,這就意味著這三十多年青海省的年總降雨量基本不變,這顯然不符合客觀認識。這是因為CRU數據首先選擇1961—1990 年的氣候平均值計算整個時間段各站點的異常值,通過薄板樣條插值法插值異常值到格點,再疊加上氣候平均值最終得到格點資料,處理數據使用的數學方法相對簡單,使得較大的山脈附近與站點實測降水有所差異[20],但是,仔細觀察可以發現,1901—1935年的值幾乎是1961—1990年降雨侵蝕力的平均值。因此,CRU數據對于20世紀初期的氣候研究依然具有一定的參考價值。

4 結論

中國西南地區百年以來降雨侵蝕力空間分布的地域差異十分明顯,呈現出自西北向東南逐漸增加的空間分布格局,且其空間分布與降雨量的分布基本一致；西南地區的降雨侵蝕力集中于4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1這一區間,其分布面積近100×104km2,占到了西南地區總面積的34.11%；西南地區降雨侵蝕力在年內的集中度較高,全年中,5—11月的月降雨侵蝕力最大值都達到了900 MJ mm hm-2h-1以上,各個地區在夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的累計降雨侵蝕力占到了全年的75.84%—96.09%,其中季節最大降雨侵蝕力出現在西藏自治區的夏季,其對全年的貢獻率達到了74.2%；西南地區降雨侵蝕力在百年尺度上的平均值為4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1,最高值出現在1915年,為4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,最低值出現在1992年,僅3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1；西南地區降雨侵蝕力年際變化存在明顯的空間差異性,總體表現為：有47.59%的區域呈現不同程度的減少趨勢,32.91%的區域降雨侵蝕力呈現不同程度的增加趨勢。