1.2 气候
气候是土壤侵蚀发生和发展的基本条件。降水、风和温度等气候要素以不同的形式发挥作用,产生水力、风力及冻融等不同的侵蚀类型并深刻影响侵蚀过程。
1.2.1 气候概况及其分区
我国地处太平洋西岸,亚欧大陆东部,气候具有显著的季风性。冬季主要受来自北方的大陆极地气团控制,近地面盛行西北、北或东北季风,寒冷而干燥;夏季主要受来自南方的太平洋和印度洋暖湿气团控制,近地面盛行东南、南或西南季风,降雨集中。春秋季节是我国冬夏环流系统的转换时期,表现为明显的春季升温和秋季降温过程,与冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨共同构成我国尤其是北方地区气候四季分明的特点。
我国气候同时也具有强烈的大陆性。由于冬夏影响我国的气团分别来自北方和南方,冷热差异十分显著,与世界同纬度地区相比,我国冬季偏冷,夏季偏热。这一大陆性特征从沿海到内陆逐渐增强,表现在以下三个方面。首先,年降水量从东南沿海的2000mm以上递减至西北内陆地区的不足100mm;其次,气温年较差和日较差向西北内陆地区逐渐增大;第三,除东南沿海地区外,我国大部分地区的春温高于秋温,且两者的差值向内陆逐渐增大。我国幅员辽阔,南北跨越热带、亚热带、暖温带、温带和寒温带5个不同的温度带,东西跨越湿润、半湿润、半干旱和干旱4个不同的水分带,两者的组合多样,再加上地形的影响,形成我国多种多样的气候类型。季风气候和大陆性气候都具有年际变化大的特点,在气候类型丰富的背景下,我国气候灾害不仅种类多,而且发生频繁,主要包括干旱、涝灾、大风和风沙、低温害和热害。
以上气候特点结合我国的地形地貌特征,奠定了我国独特的3大气候区域格局:东部以湿润特征为主的季风气候区,西北部以干旱特征为主的大陆性气候区和西南部以高寒特征为主的高寒气候区。地区气候特征主要由温度和水分决定,因此,在进行系统的气候区划时,多考虑这两方面的因素。郑景云等根据全国609个气象站1971—2000年的日气象观测资料计算出主要的温度和水分指标,将我国划分为3级气候区。第1级是温度带,主要基于日平均气温稳定大于等于10℃的日数(积温日数)划分,辅以最冷月(1月)平均气温;第2级是干湿区,将多年平均年干燥度系数,即潜在蒸散量与年降水量之比,作为主要划分指标,辅以年降水量指标;第3级是气候区,利用多年7月平均气温划分。由此,在我国除青藏高原以外的区域共划分出9个温度带、15个干湿区和44个气候区;在青藏高原划分出3个温度带、9个干湿区和12个气候区。
我国的寒温带分布在东北大兴安岭北部的根河地区,面积很小,仅包括1个湿润气候区,表现为生长季短、最冷月气温低、降雪量大、全年湿润的气候特征。
中温带横跨我国北方广大地区,东西跨度大,区域分异明显,出现了湿润、半湿润、半干旱、干旱4种气候类型,共划分出4个干湿区、18个气候区。其中,湿润和半湿润气候主要分布在东北地区,半干旱和干旱气候类型主要分布在西北地区的内蒙古、陕西北部、甘肃、宁夏、青海北部以及新疆北部。
暖温带主要分布在华北平原、汾河和渭河谷地,以及新疆南部。与中温带类似,东西跨度大,从东至西湿润、半湿润、半干旱和干旱4种气候类型依次出现,共有4个干湿区,7个气候区。湿润与半湿润气候位于辽东丘陵、华北平原、汾河和渭河谷地;干旱和极干旱气候主要分布在大陆腹地的黄土高原东部和新疆南部。
北亚热带主要分布在长江中下游地区和秦巴山地,只有1个湿润区,3个气候区;中亚热带分布在云贵高原北部、四川盆地、长江以南的湖南和江西,以及浙江南部和福建北部地区,包括1个湿润区,6个气候区;南亚热带分布在台湾和福建南部、广东和广西,以及云南南部,包括1个湿润区,4个气候区。
热带包括边缘热带、中热带和赤道热带3个气候带,共同特点是全年日平均气温大于等于10℃,但由于纬度或海拔不同,1月气温差异较大,气温年较差不同。边缘热带主要分布于滇南山地及台湾和海南两大岛屿,包括1个湿润区,3个气候区;中热带包括1个湿润气候区,主要分布在海南南部和东、中、西沙群岛;赤道热带主要分布在南沙群岛,仅包括1个湿润气候区。
青藏高原区域从北至南划分为4个温度带。高原亚寒带主要分布在唐古拉山和昆仑山之间广大的藏北高原,囊括湿润、半湿润、半干旱和干旱4个干湿区,共5个气候区;高原温带主要位于横断山脉、祁连山区、柴达木盆地,同样包括4个干湿区,共6个气候区;高原亚热带主要分布在东喜马拉雅山南翼,只有1个湿润气候区。
气候因子是影响土壤侵蚀的主要动力因子,与下垫面地貌、土壤、植被和人类活动等因素结合,决定了不同区域各具特色的土壤侵蚀类型和过程。以气候区划的二级指标年干燥度系数为依据,结合区域水土流失特征,可从侵蚀动力的角度将全国划分为4大侵蚀类型区。湿润和半湿润地区年降水量在600~800mm,多为水力侵蚀区。半干旱地区春季气温回升迅速,大风日数多,易发生强烈的风蚀;夏季降雨集中,易产生水蚀,形成风蚀水蚀交错区。干旱地区干燥多风、风速大,为风力侵蚀区。青藏高原海拔高,存在常年或季节性冻土层,冻融作用显著,形成冻融侵蚀区。
1.2.2 降雨与水力侵蚀
降雨一方面通过雨滴打击地表使土壤颗粒从土体分离,直接导致侵蚀;另一方面,当降雨强度大于土壤入渗率时,可产生地表径流,冲刷地表土壤。降雨为土壤侵蚀的发生创造了动力条件,对土壤侵蚀强度和过程具有巨大影响。
从空间上看,我国年降雨量总体由东南向西北递减,等雨量线大致为东北—西南走向。东南沿海地区年降雨量在1500mm以上,两广沿海及海南年降雨量甚至高于2000mm。年降雨量最少的地区位于柴达木盆地、塔里木盆地和吐鲁番盆地,年降雨量不足50mm。通常将500mm等雨量线作为全国湿润和干旱地区的分界线,大致沿大兴安岭—燕山—太行山—吕梁山一线向西南延伸至西藏东南部。从时间上看,受季风气候影响,我国大部分地区降雨都集中在夏季(6—8月),降雨量通常占年降雨总量的40%以上。其中,华北和东北大于60%~70%,青藏高原大部分地区甚至大于70%。
与降雨量相比,降雨强度与土壤侵蚀的关系更为密切。在土壤侵蚀研究中,通常使用次降雨平均雨强或是一次降雨过程中不同时段如5min、10min、30min、60min的最大雨强计算降雨侵蚀力,作为描述降雨造成土壤侵蚀潜在能力的定量指标。Wischmeier和Smith利用多个变量及其组合与土壤流失量的相关分析得出:一次降雨总动能E与该次降雨最大30min雨强的乘积EI30能良好地反映降雨侵蚀力,可将其用于通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),预报多年平均土壤流失量。由于计算该指标所需的降雨过程资料不易获得,我国学者研究了用常规降雨资料计算降雨侵蚀力的简易算法为
式中 R——年降雨侵蚀力,MJ·mm/(hm2·a·h);
P——年降雨量,mm。
据1961—1990年降水资料显示,全国年降雨侵蚀力介于100~15000MJ·mm/(hm2·a·h),由东南向西北方向递减,东南沿海地区可达到10000~15000MJ·mm/(hm2·a·h),西北内陆仅为100~500MJ·mm/(hm2·a·h)。降雨侵蚀力大的地区具有高侵蚀危险性,但在自然情况下,这些地区往往也是植被生长茂密的地区,对土壤起到了保护作用,土壤反而不易被侵蚀。若是植被遭到人为破坏,侵蚀强度将大大增加。
1.2.3 风与风力侵蚀
风是土壤侵蚀的又一基本动力因子,可将土壤颗粒或地表物质吹起并进行搬运。风力侵蚀不仅与风速直接相关,也受到地表物质颗粒组成及其松散程度的影响。后者与区域干燥程度有密切的关系。因此,在定量刻画气候因子对风力侵蚀的影响时,还需考虑气温和降水等气候因子
式中 C——风蚀气候因子,%,C值越大,风蚀发生的可能性越大;
u——年平均风速,m/s;
P——月降水量,mm;
t——月平均气温,℃。
总体上看,风蚀气候因子C值的空间分布与降雨侵蚀力大致相反,从东南向西北递增,最大值位于甘肃北部和内蒙古西部,可达400%以上。在东南部的福建、广东,中南部的贵州、湖北和湖南交界处,C值极低,不到1%,说明土壤风蚀可能性极小。