1960-2014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究

1、1960-2014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究 自然资源学报,2017,32(2):278-291 JournalofNaturalResourcesDOI:10.11849/zrzyxb.2016024419602014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究 钟科元1，郑粉莉1,2* （1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100） 摘要：基于松花江流域及其邻近61个气象站19602014年逐日降雨数据，采用Mann-Kendall非参数趋势检验、小波周期分析和地统计插值方法，分

2、析流域内不同地形区和子流域年降雨侵蚀力时空分异特征及其影响因素。结果表明：1）松花江流域多年平均降雨侵蚀力为1717.6MJmmhm-2h-1a-1，呈波动变化趋势，存在以15.2a为主周期和4.7a为小周期的周期性变化布特征基本一致，自东南向西北递减，与东南季风的影响区域相吻合；流域年降雨侵蚀力变化趋势呈现明显的区域分异，在流域西北地区年降雨侵蚀力呈增加趋势，而在中部平原区的东北部和西南部呈现下降趋势；3）年降雨侵蚀力随地形的变化表现为东部丘陵山地区中部平原区西部山地区。在东部丘陵山地区年降雨侵蚀力与经度、纬度显著相关（P0时表示呈上升趋势，Z1.96，说明通过0.05显著性检验；采用标准化

3、累积距平识别降雨侵蚀力时间序列的突变点，在此基础上，采用秩检验法29对突变点进一步精确检验，当秩检验统计量|U|1.96时，标准化累积距平识别突变点将被排除；采用小波分析方法（WaveletAnalysis）30分析降雨侵蚀力的周期性变化规律；采用ArcGIS地统计模块的反距离权重插值方法，分析多年平均降雨侵蚀力空间分布及其变化速率。采用Pearson相关性分析方法，分析不同站点降雨侵蚀力变化与影响因素的相关性，并采用F值检验分析显著性水平。 3）地形区和子流域的划分 2期钟科元等：19602014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究281 根据流域地形特征将松花江流域划分3个地形区（图1）：东

4、部丘陵山地区、中部平原区和西部山地区17，气象站点数量分别是10、26和25个，分别统计各地形区降雨侵蚀力的变化趋势及其与降雨量、海拔、经度和纬度的相关性。同时，根据流域水系分布，将松花江流域划分为：嫩江流域（大赉水文站以上）、第二松花江流域（扶余水文站以上）、中游地区（扶余和大赉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）（图1），气象站点数量分别是29、18、15和59个，分析流域内各子流域年降雨侵蚀力的空间差异及其影响因素。将12月翌年2月划分为冬季，35月为春季，68月为夏季，911月为秋季。 2结果分析 2.1降雨侵蚀力动态变化特征 2.1.1降雨侵蚀力年际变化 松花江

5、流域19602014年平均降雨侵蚀力为1717.6MJmmhm-2h-1a-1，变异系数为0.20，属于轻度变异。19602014年流域平均降雨侵蚀力表现为波动变化趋势 图2(a)，总体可以分为3个阶段：19601982年为第一阶段，此阶段降雨侵蚀力表现为波动下降趋势；19821998年为第二阶段，降雨侵蚀力表现为波动上升趋势；第三阶段是19992014年，此阶段降雨侵蚀力在经过1999年骤降后，进入了波动上升阶段。采用小波周期分析法对流域55a降雨侵蚀力序列进行分析（图3），也发现流域年平均降雨侵蚀力序列存在15.2a的大周期，在大周期内存在4.7a的小周期变化，其结果与5a滑动平均结果趋于

6、一致图2(a)。 流域年降雨侵蚀力变化趋势图2(a)与年降雨量变化趋势图2(b)基本一致。55a期间，年降雨侵蚀力的最大值与降雨量的最大值出现年份相吻合，两者均出现在2013年，分别是2586.0MJmmhm-2h-1a-1和684.8mm；而降雨侵蚀力的最小值与年降而降雨量出现在2001年（397.8mm）。降雨侵蚀力的最大值和最小值相差2.2倍，降雨量（0.12）。与降雨量变化相比，降雨侵蚀力的年际变化更加剧烈。 采用标准化序列累计距平方法，对55a降雨侵蚀力序列进行突变点检验，其结果表明1966、1982、1998年为突变点（图4） 。采用秩检验法对可能的突变点进一步精确检雨量的最小值不

7、吻合，降雨侵蚀力出现在1976年（1152.6MJmmhm-2h-1a-1），最大值和最小值相差1.7倍，年降雨侵蚀力变异系数（0.20）大于年降雨量变异系数 图219602014年松花江流域年降雨侵蚀力和年降雨量的变化 Fig.2InterannualchangeofrainfallerosivityandprecipitationintheSonghuaRiverBasinfrom1960to2014 282自然资源学报32卷 图3基于小波分析的年降雨侵蚀力动态变化 Fig.3Variationofannualrainfallerosivity basedonWaveletanalysis

8、图4年降雨侵蚀力突变分析Fig.4Abruptchangesofrainfall erosivity 验，由于1966年秩检验统计量|U|1.96，未通过显著性检验。故1982和1998年为松花江流域降雨侵蚀力的突变点，其结果与降雨侵蚀力5a滑动结果基本一致。 2.1.2降雨侵蚀力季节变化 流域降雨侵蚀力的季节变化趋势与年际变化趋势类似（图5），春季和冬季呈不显著增加趋势，夏季和秋季呈不显著降低趋势。流域春季平均降雨侵蚀力为135.9MJmmhm-2h-1a-1，占全年降雨侵蚀力的7.5%，19602014年春季降雨侵蚀力呈不显著增加趋势，Z值为0.62，平均每10a增加5.1MJmmhm-2

9、h-1a-1。夏季降雨侵蚀力的变化基本与年际变化相似，平均降雨侵蚀力为1477.9MJmmhm-2h-1a-1 ，占年均降 图519602014年松花江流域不同季节降雨侵蚀力变化 Fig.5SeasonalchangeofrainfallerosivityintheSonghuaRiverBasinfrom1960to 2014 2期钟科元等：19602014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究283雨侵蚀力的81.5%。秋季平均降雨侵蚀力为195.6MJmmhm-2h-1a-1，占全年降雨侵蚀力的10.8%，在19602014年总体呈不显著降低趋势，Z值为-0.68，每10a减少占全年非常少的

10、部分（0.23%）。 2.2降雨侵蚀力空间变化特征 2.2.1降雨侵蚀力空间分布规律3.8MJmmhm-2h-1a-1；冬季松花江流域气温低，以降雪形式为主，侵蚀性降雨只 利用流域19602014年平均降雨侵蚀力和降雨量数据进行插值得到流域的年降雨侵蚀力和年降雨量空间分布情况（图6）。年降雨侵蚀力空间分布特征表现为：从东南部的高值区，向北逐渐降低，即从东南向西北逐渐降低的趋势图6(a)；这与年降雨量的分布规律一致图6(b)，年降雨量从东南部的750mm以上逐渐下降至西北部的500mm以1500MJmmhm-2h-1a-1以下。下，降雨侵蚀力则由从东南部的2500MJmmhm-2h-1a-1以上

11、减少至西北部的 图6松花江流域年降雨量和降雨侵蚀力空间分布 Fig.6SpatialdistributionofrainfallerosivityandprecipitationintheSonghuaRiverBasinduring1960-2014 从分布中心看，年降雨侵蚀力的高值中心与降雨量高值分布中心一致，均位于流域东南部；而降雨侵蚀力的低值中心与降雨量的低值中心不吻合，年降雨侵蚀力的低值中心位于流域西部边沿的阿尔山和图里河气象站附近图6(a)，而降雨量低值中心位于中部平原区南部的白城气象站点附近图6(b)。这主要是由于中部平原区南部虽然年降雨量比流域西部边沿地区少，但是侵蚀性降雨量比

12、流域西部边沿地区多，使得降雨侵蚀力较高，从而导致了降雨侵蚀力低值中心值与降雨量的低值中心不吻合。以西部地区的阿尔山气象站和中部平原区南部的白城气象站为例，阿尔山55a间年平均降雨量为446.0mm大于白城的388.2mm，但侵蚀性降雨量却少于白城气象站（阿尔山194.4mm，白城247.5mm）。 2.2.2降雨侵蚀力空间变化趋势分析 为进一步分析流域降雨侵蚀力的变化趋势，统计了每一个气象站19602014年降雨侵蚀力Mann-Kendall统计量Z值和变异系数（CV），并基于ArcGIS9.3绘制降雨侵蚀力Z值和变异系数的空间分布图（图7）。 流域降雨侵蚀力趋势系数呈现明显的地区差异图7(a

13、)，在西北地区降雨侵蚀力呈 增加趋势，说明需要加强水土保持措施，防范水土流失加剧；中部平原区的东北部和西 284自然资源学报32卷 图7降雨侵蚀力Mann-KendallZ值和变异系数的空间分布 Fig.7SpatialdistributionofMann-KendallZvalueandvariationcoefficientofrainfallerosivity 南部分别呈现下降趋势，但均没有通过显著性检验（|Z|中部平原区西部山地区；由于季风影响逐渐减弱，导致降雨量波动增加和侵蚀性降雨量的减少，从而导致降雨侵蚀力变异系数自东部丘陵山地区中部平原区西部山地区呈增加趋势，降雨侵蚀力与降雨量的

14、相关性自东部丘陵山地区 中部平原区西部山地区呈降低趋势。由于东部丘陵山地区处于背风坡，中部平原区海 286自然资源学报32卷拔差异不显著，所处地形均不利于形成地形雨，西部山地区处于迎风坡，但位于季风边缘，不足以形成有效侵蚀性降雨，因此年降雨侵蚀力与海拔相关性均不显著。 2.2.4流域内不同子流域降雨侵蚀力分异 为进一步分析流域内各子流域降雨侵蚀力的变化趋势，分别统计了嫩江流域、第二松花江流域、中游地区和佳木斯以上的松花江流域降雨侵蚀力分布（表2）。嫩江流域降雨侵蚀力最低（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蚀力

15、最高（2428.9MJmmhm-2h-1a-1），流域降雨侵蚀力的分布与降雨量的分布规律一致。流域间变异系数变化较小，处于0.210.26之间，说明降雨侵蚀力年际变异较小。不同流域Mann-Kendall趋势系数均小于0，说明降雨侵蚀力均呈下降趋势，但均没有通过显著性检验。 表2松花江流域内不同子流域降雨侵蚀力分布特征 Table2Distributioncharacteristicsofrainfallerosivityindifferentsub-riverbasinswithintheSonghuaRiver Basin3讨论 利用日尺度降雨资料计算降雨侵蚀力，可以推广气象资料在水土保持

16、研究中的应用，为侵蚀模型提供重要参数，从而提高土壤流失预报精度。本文利用松花江流域61个气象站逐日雨量资料，分析了松花江流域年降雨侵蚀力的时空分布特征及其变化趋势，结果表明：流域年降雨侵蚀力呈波动变化，不存在明显的变化趋势，这与黑龙江省26及长江上游32、山东省33、西南山地区8和珠江流域14相关研究结论趋于一致（表3）。章文波等34、刘斌涛等16对中国大陆的降雨侵蚀力的分析也发现松花江流域降雨侵蚀力呈不显著变化趋势，与本文研究结论相类似。 由于地形地貌、降雨特征的差异，不同地区和地貌条件下降雨侵蚀力也呈现不同的变化趋势（表3）。如赖成光等14对珠江流域研究，发现珠江流域19602012年降雨

17、侵蚀力随着经度增加而增加，但随纬度增加而减少，珠江流域大部分地区年降雨侵蚀力呈上升趋势。刘斌涛等8对中国西南山地区19602009年降雨侵蚀力研究表明，青藏高原东缘年降雨侵蚀力呈增加趋势，而成都平原年降雨侵蚀力呈减少趋势，且降雨侵蚀力变化趋势系数随海拔升高而不断增加。本研究发现，松花江流域西北地区降雨侵蚀力呈增加趋势，中部平原区的东北部和西南部呈现下降趋势，东部丘陵山地区降雨侵蚀力与经度、纬度相关性显著。松花江流域降雨侵蚀力变化与其他区域的变化趋势存在差异，这种差异可能与地区地形地貌和大气环流差异有关。松花江流域面积较大，东、中、西地形地貌差异显著，东亚季风自东南向西北减弱，从而导致不同地形区

18、降雨侵蚀力的差异。由于东部丘陵山地区处于背风坡，中部平原区海拔差异不显著，西部山地区处于迎风坡，但处于季风边缘，不足以形成有效侵蚀性降雨，因此降雨侵蚀力与海拔相关性不 2期钟科元等：19602014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究 表3中国不同地区降雨侵蚀力研究结果 Table3Researchresultsofrainfallerosivityindifferentregionsin China 287 显著。在流域西北地区降雨侵蚀力呈增加趋势，可能与大气环流的变化和局地水汽增加有关，需要加强水土保持措施，防范水土流失加剧。 4结论 根据松花江流域及其邻近61个气象站19602014年逐日

19、降雨数据，分析了流域内不同地形区和子流域降雨侵蚀力时空分异特征及其影响因素，得出以下结论： 1）松花江流域多年平均降雨侵蚀力为1717.6MJmmhm-2h-1a-1，呈波动变 化趋势，存在以15.2a为主周期、4.7a为小周期的周期性变化特征，并在1982和1998年发生显著突变，与降雨量相比，降雨侵蚀力年际变化更加剧烈。 288自然资源学报32卷 2）松花江流域降雨侵蚀力空间分布与降雨量分布特征基本一致，自东南向西北递减，与东南季风的影响趋势相吻合；降雨侵蚀力的高值中心与降雨量的高值中心相吻合，而降雨侵蚀力的低值中心与降雨量的低值中心不吻合；流域降雨侵蚀力变化趋势呈现明显的地区分异，在西北

20、地区降雨侵蚀力呈增加趋势，中部平原区的东北部和西南部分别呈现下降趋势。 3）降雨侵蚀力与降雨量呈高度相关，且东部丘陵山地区中部平原区西部山地区；东部丘陵山地区降雨侵蚀力与经度、纬度相关性显著（P0.01），全流域降雨侵蚀力与海拔、经度和纬度均存在一定的相关性，且通过0.05水平检验。 4）流域内各子流域降雨侵蚀力存在明显分异，即降雨侵蚀力在各子流域的变化趋势表现为从第二松花江流域到流域中游再到嫩江流域呈依次降低趋势，与降雨量的分布一致，各子流域降雨侵蚀力均呈不显著的降低趋势。 参考文献(References): 1LIUBY,ZHANGKL,XIEY.Anempiricalsoillosseq

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44、eristicsofrainfallerosivitywithdifferentgeomorphologytypesontheLoessPlateau.BulletinofSoilandWaterConservation,2008,28(3):124-127. 36吴昌广,林德生,肖文发,等.三峡库区降雨侵蚀力时空分布特征J.应用生态学报,2011,22(1):151-158.WUG C,LINDS,XIAOWF,etal.SpatiotemporaldistributioncharacteristicsofrainfallerosivityinThreeGorgesReservoir.Chi

45、neseJournalofAppliedEcology,2011,22(1):151-158. 37沈照伟,田刚,李钢,等.浙江省降雨侵蚀力变化特征分析J.水土保持通报,2013,33(4):119-124.SHENZW, TIANG,LIG,etal.AnanalysisofrainfallerosivitychangeinZhejiangProvience.BulletinofSoilandWaterConser-vation,2013,33(4):119-124. 38张家其,龚箭,吴宜进.基于日降雨数据的湖北省降雨侵蚀力初步分析J.长江流域资源与环境,2014,23(2):274- 2

46、80.ZHANGJQ,GONGJ,WUJY.ApreliminarystudyonrainfallerosionforceinHubeibasedonthedataofdailyrainfall.ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin,2014,23(2):274-280. 2期钟科元等：19602014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究291 SpatialandTemporalVariationCharacteristicsofRainfall ErosivityintheSonghuaRiverBasinfrom1960to2014 ZHONGK

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