我國南方地區(qū)降雨侵蝕力指標(biāo)R的建立研究——以江西鷹潭地區(qū)為例

張黎明，林金石，于東升，史學(xué)正

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州350002；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

土壤侵蝕是目前普遍受關(guān)注的自然災(zāi)害之一，它不僅破壞土地資源，還造成生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展。在引起土壤侵蝕的各種因素中，降雨是最主要的動力因子。計算由降雨引起的土壤侵蝕潛在能力，即降雨侵蝕力（Rainfall Erosivity），一直是定量預(yù)報土壤流失的重要環(huán)節(jié)。為了準(zhǔn)確度量降雨侵蝕力，很多學(xué)者對降雨因子進(jìn)行了深入研究。其中，最著名的是Wischmeier和Smith利用美國35個水土保持站8 250個小區(qū)的降雨、侵蝕實測資料，通過對降雨量（P）、降雨動能（E）、最大時段雨強(qiáng)（I）等各種單因子及它們復(fù)合因子與土壤流失量的關(guān)系建立了EI30為度量降雨侵蝕力的最佳指標(biāo)，并且把該指標(biāo)應(yīng)用于世界廣泛使用的通用土壤流失方程 USLE（Universal Soil Loss Equation）中［1－2］。自從降雨侵蝕力表達(dá)式中引入I30因子以后，雨強(qiáng)也成為了各國水保工作者計算降雨侵蝕力而進(jìn)行研究的重要因子。目前，對于這方面工作做的比較多的是對雨強(qiáng)因子的修正。這主要是因為很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)一些地區(qū)用I30計算當(dāng)?shù)氐慕涤昵治g力效果并不十分理想，于是他們根據(jù)本地區(qū)的實際情況對該表達(dá)式進(jìn)行了修正。如斯坦內(nèi)斯庫和日本學(xué)者種田行男等人根據(jù)各地試驗情況，以EI10和EI60為R指標(biāo)［3］。我國的張憲奎提出適宜東北黑土地區(qū)的R指標(biāo)的表達(dá)式應(yīng)該是E60I30［4］。王萬忠、賈志軍、江忠善研究發(fā)現(xiàn)適宜西北黃土地區(qū)的R算法是E60I10或∑EI10、PI30［5－7］。李璐等通過江蘇省2001－2006年260個站點(diǎn)的降雨資料研究表明，卜氏算法（R＝0.1281PfI30B－0.1575I30B）在該地區(qū)具有較高的精度［8］。

雖然目前雨強(qiáng)因子被作為土壤侵蝕的主導(dǎo)因素研究較多，但對同一地區(qū)不同雨強(qiáng)計算降雨侵蝕力的差異，以及篩選適合計算我國南方地區(qū)降雨侵蝕力雨強(qiáng)的研究比較少。為此，本文利用位于我國南方亞熱帶地區(qū)的江西省鷹潭市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站自建氣象站1997－2003年自然降雨觀測資料，研究和分析以鷹潭市為中心地區(qū)的不同雨強(qiáng)下自然降雨侵蝕力特征，并篩選出適合計算該地區(qū)降雨侵蝕力指標(biāo)R的雨強(qiáng)，以便為建立普遍適合于我國南方地區(qū)R指標(biāo)表達(dá)式做一些前期工作。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鷹潭地區(qū)地處贛東北山區(qū)向鄱陽湖平原區(qū)的過渡帶，屬中亞熱帶北緣濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。這里地勢較平坦，以低丘崗地為主，海拔均在100 m以下，年均氣溫為17.7℃，最高溫度在7月，平均溫度為29.5℃，最低溫度在1月，均溫5.1℃，≥10℃ 的積溫為5 627.6℃，年均日照時數(shù)為1 852.4 h，年平均降水量1 752 mm。而且一年間雨量分布極不平衡，干濕期非常明顯，雨季是3－6月，降水量占全年總降水量的60%，而旱季9月至翌年1月，降水量只占全年的20%，這種現(xiàn)象極有利于土壤侵蝕的發(fā)展。該地區(qū)地表徑流主要由降水補(bǔ)給，多年平均徑流深度850～1 010 mm，年平均徑流量為8.61億m3，而且植被覆蓋度較低，由于森林的嚴(yán)重砍伐，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了明顯的惡化。鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站（簡稱紅壤站），隸屬于中國科學(xué)院南京土壤研究所，是科學(xué)院在南方紅壤地區(qū)設(shè)置的一個長期、綜合的試驗研究基地。該站位于江西省鷹潭市余江縣，東經(jīng)116°55′30″，北緯28°15′20″，距南昌市135 km，離鷹潭市13 km［9］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

自然降雨資料主要來源于1997－2003年鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站自建的氣象站，土壤流失量資料是生態(tài)實驗站11號、20號、22號侵蝕小區(qū)1997－2003年間的實測數(shù)據(jù)，這3個小區(qū)土壤類型分別是鷹潭地區(qū)典型的第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的黏淀濕潤富鐵土、千枚巖發(fā)育的鋁質(zhì)濕潤淋溶土和紫紅色砂頁巖發(fā)育的紫色濕潤雛形土，其基本情況見表1［9］。

表1 侵蝕性小區(qū)基本情況

1.3 不同雨強(qiáng)計算降雨侵蝕力R值的方法

降雨侵蝕力是降雨引起土壤流失的潛在能力，它是降雨物理性質(zhì)的函數(shù)。EI是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)，它反映了雨滴撞擊與地表徑流的組合潛力，從一定意義上講，它表示顆粒剝離和輸移能力的組合。采用EI結(jié)構(gòu)的基本形式與降雨侵蝕力的函數(shù)相符合。因此，本研究在計算試驗區(qū)不同雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力時仍采用∑EIi，表達(dá)式［1－2，9］為

式中：R——某次降雨的侵蝕力值［（100 m·t·cm）／（hm2·h）］，該R值米噸系統(tǒng)首先轉(zhuǎn)為美制系統(tǒng)，然后乘以17.02可得焦耳系統(tǒng)［（MJ·mm）／（hm2·h·a）］；∑E——某次降雨的總動能［（m·t）／hm2］；Ii——某次降雨中最大10，15，30，60 min的降雨強(qiáng)度（cm／h）。次降雨過程中的某時段雨量的動能為

式中：P——某時段降雨量（cm）。

式中：e——單位降雨強(qiáng)度i（mm／h）決定的單位降雨動能［（m·t）／（hm2·cm）］。由此，本研究對生態(tài)試驗站1997－2003年間各次降雨過程進(jìn)行分析，具體分析過程如下［9］：（1）根據(jù)原始的降雨記錄，確定各年度降雨的場次、時間。（2）對各場次的降雨過程進(jìn)行分析。首先找出該次降雨過程中降雨量最多的10，15，30，60 min時段，讀取該時段的降雨量，計算該時段的降雨強(qiáng)度Ii，以此作為該次降雨的最大10，15，30，60 min雨強(qiáng)。然后根據(jù)降雨強(qiáng)度的變化，將連續(xù)且降雨強(qiáng)度變化不大的，或幾乎沒有變化的降雨過程劃分為一個降雨時段，在降雨記錄中表現(xiàn)為一條直線段，讀取該時段的降雨量（Pi），確定該時段時間并計算該時段的雨強(qiáng)（i），這樣該場次的降雨過程可劃分為若干個時段，并得到相應(yīng)時段的降雨量、降雨強(qiáng)度。（3）根據(jù)各時段雨強(qiáng)計算該時段單位雨量的動能ek，然后再根據(jù)該時段的降雨量，計算該時段的雨量動能Ek。（4）將一場次降雨過程中各時段的雨量動能求和，得到該次降雨過程的雨量總動能E。由該次降雨的最大10，15，30，60 min雨強(qiáng)Ii，運(yùn)用EIi／100可計算出該次降雨的侵蝕力R。（5）將每月各場次的次降雨侵蝕力求和，得到該月的降雨侵蝕力R，將全年各場次的次降雨侵蝕力R求和，得到本年度的降雨侵蝕力R。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雨強(qiáng)計算鷹潭地區(qū)降雨侵蝕力的差異

根據(jù)鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站土壤侵蝕試驗區(qū)的觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某一次降雨的降雨量P＜12.7 mm時，該場次的降雨不會引起土壤流失，或者是不會產(chǎn)生地表徑流，因而在計算R值時略去該次降雨過程［9］。根據(jù)以上原則，本研究對鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站各年的侵蝕性降雨進(jìn)行分析，得出1997－2003年不同雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力，結(jié)果見圖1。

圖1 不同雨強(qiáng)計算的降雨侵蝕力差異比較

通過1997－2003年不同雨強(qiáng)計算下的降雨侵蝕力結(jié)果看（圖1），基本上各年不同雨強(qiáng)下降雨侵蝕力值總趨勢為：I10＞I15＞I30＞I60，且不同雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力差異很大。其中，相差最大的是2000年，I10、I15、I30、I60雨強(qiáng)下降雨侵蝕力數(shù)值依次都相差1 500（MJ·mm）／（hm2·h·a）以上；相差最不明顯的是1997年，除I60雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力值明顯比較小以外，其它3個雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力值都相差不大。從圖1還可以看出，各年I15、I30雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力的差異程度也不盡相同，差異最大的是1998年，I15、I30雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力數(shù)值相差8 000（MJ·mm）／（hm2·h·a）多；其次是1999年、2000年、2002年和2003年，數(shù)值相差都2 000（MJ·mm）／（hm2·h·a）多。I10、I60雨強(qiáng)下的各侵蝕力相差也都比較大，一般侵蝕力值都相差4 000（MJ·mm）／（hm2·h·a）以上，其中2000年相差最大，I10、I60雨強(qiáng)下的侵蝕力值將近相差12 344（MJ·mm）／（hm2·h·a）；相比之下I30、I60和I10、I15雨強(qiáng)下各年的降雨侵蝕力值差異都比較小，降雨侵蝕力數(shù)值一般相差1 500（MJ·mm）／（hm2·h·a）左右。

為更好地了解研究區(qū)不同雨強(qiáng)對降雨侵蝕力計算的影響，本研究對1997－2003年降雨在不同雨強(qiáng)下的次降雨侵蝕力用國際通用的SAS統(tǒng)計軟件進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表2。

由表2的方差分析可知，F(xiàn)＞F0.05（3，24），說明不同降雨強(qiáng)度計算的降雨侵蝕力值達(dá)到差異顯著水平，這也說明在鷹潭地區(qū)使用不合適的雨強(qiáng)計算降雨侵蝕力可能對水土流失預(yù)報精度有很大影響。為進(jìn)一步明確不同雨強(qiáng)計算的各侵蝕力之間的差異，本研究也對1997—2003年244次降雨在4個雨強(qiáng)下的侵蝕力用Duncan法進(jìn)行多重比較，結(jié)果見表3。

表2 不同雨強(qiáng)下侵蝕力R的方差分析

表3 不同雨強(qiáng)下侵蝕力R的Duncan法檢驗

由表3的Duncan法檢驗可知，I10雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力顯著高于I60雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力，I15雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力顯著高于I60雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力，但I(xiàn)30、I60和I10、I15雨強(qiáng)之間的降雨侵蝕力大小差異不顯著，而且各年降雨侵蝕力R均值的分布規(guī)律都是I10＞I15＞I30＞I60。

通過以上分析可知，不同雨強(qiáng)計算的降雨侵蝕力差異已達(dá)到顯著水平，這一方面說明在我國南方地區(qū)采用不同的雨強(qiáng)計算該地區(qū)的降雨侵蝕力會對水土流失預(yù)報精度產(chǎn)生顯著影響；另一方面也說明為了加強(qiáng)我國南方地區(qū)的水土流失預(yù)報工作，找出一個適合該地區(qū)降雨特征的雨強(qiáng)進(jìn)行降雨侵蝕力計算是十分必要的。

2.2 鷹潭地區(qū)降雨侵蝕力指標(biāo)R表達(dá)式的確定

根據(jù)前人和鷹潭 農(nóng) 田生 態(tài) 站 的試 驗 結(jié) 果［1－2，9－10］，與降雨侵蝕力指標(biāo)關(guān)系最為密切的復(fù)合參數(shù)是降雨動能E和雨強(qiáng)I，這二者的交互影響是侵蝕力的最佳量度。因此，本研究以每次降雨的總動能∑E，時段最大降雨強(qiáng)度It及二者的乘積∑EIt作為回歸計算的降雨侵蝕基本參數(shù)。有資料表明［11］，降雨侵蝕參數(shù)與土壤流失量的相關(guān)性多呈線性關(guān)系。從表4和表5可以看出，鷹潭地區(qū)降雨參數(shù)It、E和∑EIt都與土壤流失量存在良好的線性關(guān)系，而且在P＝0.01水平下與土壤侵蝕量呈極顯著正相關(guān)。

表4 單因子降雨特征參數(shù)與土壤流失量相關(guān)分析

表5 復(fù)合因子降雨特征參數(shù)與土壤流失量相關(guān)分析

從表4可以看出，雖然單因子降雨特征參數(shù)與土壤流失量都有極顯著的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均較低。其中，黏淀濕潤富鐵土和紫色濕潤雛形土與土壤流失量之間的相關(guān)系數(shù)在0.3左右，鋁質(zhì)濕潤淋溶土與土壤流失量的相關(guān)系數(shù)在0.2左右，動能E雖然與土壤流失量有著比較好的相關(guān)關(guān)系，但與復(fù)合參數(shù)和土壤流失量的相關(guān)性相比，相關(guān)系數(shù)也是比較低。

從表5可以看出，復(fù)合參數(shù)∑EIt與不同土壤流失量的相關(guān)性明顯要比單因子降雨特征參數(shù)好。其中，紫色濕潤雛形土的復(fù)合參數(shù)在3種土壤類型中與流失量的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，且以∑EI15的相關(guān)系數(shù)最大，為0.754；鋁質(zhì)濕潤淋溶土的復(fù)合參數(shù)在這3種土壤中與流失量的相關(guān)性是最差的，相關(guān)系數(shù)大多在0.2左右，其中相關(guān)性最好的也是∑EI15；黏淀濕潤富鐵土的復(fù)合參數(shù)與土壤流失量之間的相關(guān)性介于二者之間，但相關(guān)系數(shù)也都在0.6以上，其中也是以∑EI15的相關(guān)系數(shù)最大，為0.623。這說明在江西省鷹潭地區(qū)降雨侵蝕力R的指標(biāo)計算中，用15 min最大雨強(qiáng)比用美國土壤流失方程USLE所使用的30 min最大雨強(qiáng)更為理想。

3 結(jié)論

從1997－2003年鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站不同雨強(qiáng)計算的降雨侵蝕力分析得出：不同雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力差異達(dá)到顯著水平，且各年降雨侵蝕力R值總趨勢是：I10＞I15＞I30＞I60；進(jìn)一步對不同雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力Duncan法多重比較表明，I10雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力顯著高于I60雨強(qiáng)，I15雨強(qiáng)下的降雨侵蝕力顯著高于I60雨強(qiáng)，但I(xiàn)30、I60和I10、I15雨強(qiáng)之間的降雨侵蝕力差異不顯著。

通過鷹潭地區(qū)3種典型類型土壤流失量與降雨侵蝕力密切相關(guān)的降雨動能E、雨強(qiáng)I和降雨量P之間的相關(guān)分析得出用15 min最大雨強(qiáng)比美國土壤流失方程USLE所使用的30 min最大雨強(qiáng)更為理想。因此，本研究建議以后鷹潭地區(qū)水土流失預(yù)報中計算降雨侵蝕力時采用15 min最大雨強(qiáng)。

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