基于RULSE的九寨沟县地震后土壤侵蚀定量分析

唐艺嘉，王泽根

（西南石油大学 地球科学与技术学院，四川成都 610500）

2017年8月8日21时19分，在四川省北部阿坝州九寨沟县境内发生7.0级中强地震，震中处比芒村距九寨沟核心景区仅5km，震源深度20km，震后发生多次余震。九寨沟国家自然保护区受损林地总面积为13 268.29hm2，强震不仅威胁灾区人民的生命财产安全，也使得该地区生态功能在不同程度上受到了损害，这必然导致土壤侵蚀量增加，加剧水土流失。地震会导致灾区的水土流失，致使其水土保持功能严重受损，加重当地生态环境的恶化，因此土壤侵蚀量的计算和监测也成了地震灾后重建工作中必须要重视的一环。

随着3S 技术的快速发展，Wischmeier 等于1985年提出了通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，ULSE），美国农业农村部采用了该模型，随着发展，之后有学者在此基础上又提出了修正通用土壤流失模型（Revised Universal Soil Loss Equation，RULSE）。我国从20世纪80年代引入USLE 模型，但由于地区差异，美国使用的土壤侵蚀性模型并不适合我国的情况，因此需要在此基础上进行修正。本文利用《生态保护红线划定指南[2017]》提出的RULSE 模型估算了九寨沟县2018年的实际土壤侵蚀量。

1 研究方法

1.1 研究区概况

九寨沟县位于四川省阿坝藏族羌族自治州境内，地处青藏高原向四川盆地的过渡地带，处于岷江断裂带和东昆仑断裂带东部交汇地带，地质构造复杂，新构造运动强烈。区域海拔为1 155～4 855m，属高原湿润气候。该地区降水较少，雨季为5 月到10 月，年平均降水量约为550mm，年平均气温12.5℃。九寨沟物产资源丰富，原始森林覆盖面积达到了九寨沟县总面积的一半以上，并孕育着多种珍稀动植物。而突如其来的地震及其次生灾害，致使九寨沟县17万余人受灾，并且造成了灾区环境资源的破坏，加快了水土流失。

1.2 数据来源

本次研究中所用到的数据主要有：分辨率为30m 的ASTGTM DEM 数 据、2018 年4 月9 日 的Landsat8 OLI_TIRS遥感影像、1 ∶100 万四川省土壤类型图、2018 年九寨沟县气象站的降水数据以及2019年行政边界数据。土壤类型图为第二次全国土壤普查数据，并查考《四川省土种志》，利用ArcGIS 软件插值可生成降水的栅格数据。

1.3 研究方法

本研究根据2017年国家环境保护部门颁发的《生态保护红线划定指南[2017]》中所提到水土保持功能评估所采用的评估模型-修正通用土壤流失模型（RULSE）来定量计算2018年九寨沟县土壤侵蚀量。水土保持量其计算公式如下所示：

式中：Ac为年平均水土保持量模数，t/（hm2·a）；Ap为潜在土壤侵蚀量模数，t/（hm2·a）；AR为实际土壤侵蚀量模数，t/（hm2·a）；R表示降雨侵蚀力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K为土壤可侵蚀性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；L表示坡长因子；S表示坡度因子；C表示植被覆盖因子，均无量纲。

根据公式（1）可知，土壤侵蚀量的计算公式为：

该方法利用植被覆盖因子，与通用土壤流失模型（ULSE）中所用的植被覆盖与管理因子相比，无须考虑水土保持因子的作用，处理更加简洁。

2 土壤侵蚀因子计算

2.1 降雨侵蚀力因子计算

降雨对土壤侵蚀可造成的潜在影响，可根据多年平均年降雨侵蚀力因子R计算。本文参考王万忠教授利用大量降水资料，对100多个城市R值进行计算的研究方法[1]，利用ArcGIS 软件，采用插值方法绘制R值栅格数据图。

2.2 土壤可侵蚀性因子

土壤可侵蚀性因子是指在降雨的作用下，土壤颗粒被分离和搬运的难易程度，反映了土壤对侵蚀的抵抗作用，与土壤质地和结构有较大关系，常用EPIC 模型来计算土壤可侵蚀性因子KEPIC。根据张科利等的研究表明，国外所使用的土壤侵蚀性模型并不适用于中国的土壤侵蚀性计算[2]，因此本文参考《生态保护红线划定指南[2017]》中所提到的公式对KEPIC进行了修正。

2.3 坡度坡长因子

地形是影响土壤结构的一个重要因素，除此之外，对植被的覆盖也有植一定的影响。由于研究区地处山区，地形起伏较大，本文采用刘元宝提出的坡度坡长因子算法[3]。

2.4 植被覆盖因子

植被具有保持水土的作用，因此，植被覆盖因子是侵蚀动力的抑制因子。本文参照《生态保护红线划定指南[2017]》对水田、荒漠、湿地和建筑的赋值，分别为0、0.7、0、0.01，而旱地按植被覆盖度计算。本研究利用Landsat8 OLI 数据按照上述所提到的生态系统类型，通过人工目视解译的方法对研究区域进行分类并赋值。

3 结果分析

3.1 土壤侵蚀强度分级

本文参照SL190—2007土壤侵蚀分类分级标准，对研究区的土壤侵蚀结果进行分类，然后结合RULSE 模型计算结果可知，2018年九寨沟县的年土壤侵蚀总量为1 636.0kt，年平均土壤侵蚀模数为311.10t/（km2·a），土壤侵蚀面积为5 258.89km2，轻微度土壤侵蚀面积占土壤侵蚀总面积的86.30%，而轻度和中度土壤侵蚀量占土壤侵蚀总量的共69.19%，但并无剧烈侵蚀区域，可见研究区土壤侵蚀总体较为严重。

3.2 土壤侵蚀空间分布分析

九寨沟县土壤侵蚀强度的空间分布如图1所示，从图中可以直观地看出，研究区域内较为严重的土壤侵蚀主要分布在漳扎镇、永乐镇、保华镇和永丰乡等，其中包括了震中处比芒村和九寨沟旅游景区，皆位于漳扎镇内。根据统计数据可得，漳扎镇、大录乡、马家乡和黑河乡的年土壤侵蚀量较高，而震中所在的漳扎镇，其土壤侵蚀量占总侵蚀量的53.33%。

图1 九寨沟县土壤侵蚀强度空间分布

3.2.1 土壤侵蚀与海拔的关系

九寨沟县地势以高山为主，根据计算结果可见，该研究区域内土壤侵蚀量与海拔具有一定的相关性，土壤侵蚀量随区域海拔的上升而增加，海拔在4 000m 以上时，土壤侵蚀量达到最大，为1 275.48t/（km2·a），海拔在2 000m 以上的土壤侵蚀量约占了总侵蚀量的91.67%。

3.2.2 土壤侵蚀与坡度的关系

地形是影响土壤侵蚀的一个主要因素，在本研究中，将10°作为坡度划分的间隔，共分成8个坡度带进行研究，结果表明：土壤侵蚀会随坡度的增加而大幅增长，由此可得，土壤侵蚀强度与坡度之间存在很好的相关性。当坡度在20°～40°时，土壤侵蚀面积比率和侵蚀量比率达到最大，分别为66.86%和65.22%，因此加强20°～40°坡度区间内的水土流失治理工作迫在眉睫。

3.2.3 土壤侵蚀与坡向的关系

坡向主要是影响了日照时常、水分以及温度，使植被覆盖情况有所不同，最终影响土壤侵蚀。研究结果表明：西南坡与东南坡土壤侵蚀模数和侵蚀量比率最大，是由于受到西南季风和东南季风交替影响，降雨量增加，致使土壤侵蚀量增加；东坡与东北坡的侵蚀面积比率最大，分别为13.34%和13.13%，由于东坡和东北坡受光照时间较短，积温，植被覆盖率较低，使土壤侵蚀量增加。

3.2.4 土壤侵蚀与生态系统类型的关系

生态系统类型决定了植被覆盖因子的取值，因此不同生态系统类型也会对土壤侵蚀产生影响。研究结果表明：旱地的土壤侵蚀模数最大，为2 201.89t/（km2·a），其次为水田和草地，森林和建筑的土壤侵蚀模数较小，而湿地几乎不会造成土壤侵蚀。

4 结论

本文利用《生态保护红线划定指南[2017]》中提出的修正通用土壤流失模型（RULSE）对2018年九寨沟县的土壤侵蚀量进行了定量计算，并将该区域内的土壤侵蚀强度划分等级，定量分析了九寨沟县土壤侵蚀的分空间布特征，并探求其与海拔、坡度、坡向和生态系统类型之间的关系，可对九寨沟县灾后重建中水土流失的治理提供参考。

1）九寨沟县土壤侵蚀面积为5 258.89km2，年土壤侵蚀总量达到1 636.0kt，年平均土壤侵蚀模数为311.10t/（km2·a），中度及中度以下侵蚀强度面积占总侵蚀面积的94.34%，强度以上侵蚀面积所占比率较小。研究区域总体上土壤侵蚀较为严重，需要对侵蚀强度较大区域重点进行防治。

2）九寨沟县中度及其以上土壤侵蚀主要分布于漳扎镇，永乐镇、永丰乡、保华乡和郭元乡。漳扎镇、大录乡、马家乡和黑河乡的年土壤侵蚀量较大，占总侵蚀量的77.52%，其中包括震中处比芒村和九寨沟景区在内，因此，需重点加强上述各乡镇的水土流失治理。

3）研究区域内，土壤侵蚀严重的区域主要分布在海拔2 000m 以上，占总侵蚀量的91.67%；坡度在20°～40°时，土壤侵蚀量占总侵蚀量的65.22%；坡向为东北坡、东坡、东南坡和西南坡时，土壤侵蚀量占总侵蚀量的57.49%；旱地、水田和草地的土壤侵蚀模数最大，分别为2201.89t/（km2·a）、1507.39t/（km2·a）、427.17t/（km2·a）。

九寨沟县孕育了我国国家级自然保护区和重点风景名胜-九寨沟，但由于地震袭来，加剧了区域内的水土流失，为了恢复当地的生态环境，应加强对该区域内水土流失的监测和治理，重建“九寨天堂”。