基于RULSE的九寨溝縣地震后土壤侵蝕定量分析

唐藝嘉，王澤根

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

2017年8月8日21時19分，在四川省北部阿壩州九寨溝縣境內發生7.0級中強地震，震中處比芒村距九寨溝核心景區僅5km，震源深度20km，震后發生多次余震。九寨溝國家自然保護區受損林地總面積為13 268.29hm2，強震不僅威脅災區人民的生命財產安全，也使得該地區生態功能在不同程度上受到了損害，這必然導致土壤侵蝕量增加，加劇水土流失。地震會導致災區的水土流失，致使其水土保持功能嚴重受損，加重當地生態環境的惡化，因此土壤侵蝕量的計算和監測也成了地震災后重建工作中必須要重視的一環。

隨著3S 技術的快速發展，Wischmeier 等于1985年提出了通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，ULSE），美國農業農村部采用了該模型，隨著發展，之后有學者在此基礎上又提出了修正通用土壤流失模型（Revised Universal Soil Loss Equation，RULSE）。我國從20世紀80年代引入USLE 模型，但由于地區差異，美國使用的土壤侵蝕性模型并不適合我國的情況，因此需要在此基礎上進行修正。本文利用《生態保護紅線劃定指南[2017]》提出的RULSE 模型估算了九寨溝縣2018年的實際土壤侵蝕量。

1 研究方法

1.1 研究區概況

九寨溝縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州境內，地處青藏高原向四川盆地的過渡地帶，處于岷江斷裂帶和東昆侖斷裂帶東部交匯地帶，地質構造復雜，新構造運動強烈。區域海拔為1 155～4 855m，屬高原濕潤氣候。該地區降水較少，雨季為5 月到10 月，年平均降水量約為550mm，年平均氣溫12.5℃。九寨溝物產資源豐富，原始森林覆蓋面積達到了九寨溝縣總面積的一半以上，并孕育著多種珍稀動植物。而突如其來的地震及其次生災害，致使九寨溝縣17萬余人受災，并且造成了災區環境資源的破壞，加快了水土流失。

1.2 數據來源

本次研究中所用到的數據主要有：分辨率為30m 的ASTGTM DEM 數 據、2018 年4 月9 日 的Landsat8 OLI_TIRS遙感影像、1 ∶100 萬四川省土壤類型圖、2018 年九寨溝縣氣象站的降水數據以及2019年行政邊界數據。土壤類型圖為第二次全國土壤普查數據，并查考《四川省土種志》，利用ArcGIS 軟件插值可生成降水的柵格數據。

1.3 研究方法

本研究根據2017年國家環境保護部門頒發的《生態保護紅線劃定指南[2017]》中所提到水土保持功能評估所采用的評估模型-修正通用土壤流失模型（RULSE）來定量計算2018年九寨溝縣土壤侵蝕量。水土保持量其計算公式如下所示：

式中：Ac為年平均水土保持量模數，t/（hm2·a）；Ap為潛在土壤侵蝕量模數，t/（hm2·a）；AR為實際土壤侵蝕量模數，t/（hm2·a）；R表示降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可侵蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；L表示坡長因子；S表示坡度因子；C表示植被覆蓋因子，均無量綱。

根據公式（1）可知，土壤侵蝕量的計算公式為：

該方法利用植被覆蓋因子，與通用土壤流失模型（ULSE）中所用的植被覆蓋與管理因子相比，無須考慮水土保持因子的作用，處理更加簡潔。

2 土壤侵蝕因子計算

2.1 降雨侵蝕力因子計算

降雨對土壤侵蝕可造成的潛在影響，可根據多年平均年降雨侵蝕力因子R計算。本文參考王萬忠教授利用大量降水資料，對100多個城市R值進行計算的研究方法[1]，利用ArcGIS 軟件，采用插值方法繪制R值柵格數據圖。

2.2 土壤可侵蝕性因子

土壤可侵蝕性因子是指在降雨的作用下，土壤顆粒被分離和搬運的難易程度，反映了土壤對侵蝕的抵抗作用，與土壤質地和結構有較大關系，常用EPIC 模型來計算土壤可侵蝕性因子KEPIC。根據張科利等的研究表明，國外所使用的土壤侵蝕性模型并不適用于中國的土壤侵蝕性計算[2]，因此本文參考《生態保護紅線劃定指南[2017]》中所提到的公式對KEPIC進行了修正。

2.3 坡度坡長因子

地形是影響土壤結構的一個重要因素，除此之外，對植被的覆蓋也有植一定的影響。由于研究區地處山區，地形起伏較大，本文采用劉元寶提出的坡度坡長因子算法[3]。

2.4 植被覆蓋因子

植被具有保持水土的作用，因此，植被覆蓋因子是侵蝕動力的抑制因子。本文參照《生態保護紅線劃定指南[2017]》對水田、荒漠、濕地和建筑的賦值，分別為0、0.7、0、0.01，而旱地按植被覆蓋度計算。本研究利用Landsat8 OLI 數據按照上述所提到的生態系統類型，通過人工目視解譯的方法對研究區域進行分類并賦值。

3 結果分析

3.1 土壤侵蝕強度分級

本文參照SL190—2007土壤侵蝕分類分級標準，對研究區的土壤侵蝕結果進行分類，然后結合RULSE 模型計算結果可知，2018年九寨溝縣的年土壤侵蝕總量為1 636.0kt，年平均土壤侵蝕模數為311.10t/（km2·a），土壤侵蝕面積為5 258.89km2，輕微度土壤侵蝕面積占土壤侵蝕總面積的86.30%，而輕度和中度土壤侵蝕量占土壤侵蝕總量的共69.19%，但并無劇烈侵蝕區域，可見研究區土壤侵蝕總體較為嚴重。

3.2 土壤侵蝕空間分布分析

九寨溝縣土壤侵蝕強度的空間分布如圖1所示，從圖中可以直觀地看出，研究區域內較為嚴重的土壤侵蝕主要分布在漳扎鎮、永樂鎮、保華鎮和永豐鄉等，其中包括了震中處比芒村和九寨溝旅游景區，皆位于漳扎鎮內。根據統計數據可得，漳扎鎮、大錄鄉、馬家鄉和黑河鄉的年土壤侵蝕量較高，而震中所在的漳扎鎮，其土壤侵蝕量占總侵蝕量的53.33%。

圖1 九寨溝縣土壤侵蝕強度空間分布

3.2.1 土壤侵蝕與海拔的關系

九寨溝縣地勢以高山為主，根據計算結果可見，該研究區域內土壤侵蝕量與海拔具有一定的相關性，土壤侵蝕量隨區域海拔的上升而增加，海拔在4 000m 以上時，土壤侵蝕量達到最大，為1 275.48t/（km2·a），海拔在2 000m 以上的土壤侵蝕量約占了總侵蝕量的91.67%。

3.2.2 土壤侵蝕與坡度的關系

地形是影響土壤侵蝕的一個主要因素，在本研究中，將10°作為坡度劃分的間隔，共分成8個坡度帶進行研究，結果表明：土壤侵蝕會隨坡度的增加而大幅增長，由此可得，土壤侵蝕強度與坡度之間存在很好的相關性。當坡度在20°～40°時，土壤侵蝕面積比率和侵蝕量比率達到最大，分別為66.86%和65.22%，因此加強20°～40°坡度區間內的水土流失治理工作迫在眉睫。

3.2.3 土壤侵蝕與坡向的關系

坡向主要是影響了日照時常、水分以及溫度，使植被覆蓋情況有所不同，最終影響土壤侵蝕。研究結果表明：西南坡與東南坡土壤侵蝕模數和侵蝕量比率最大，是由于受到西南季風和東南季風交替影響，降雨量增加，致使土壤侵蝕量增加；東坡與東北坡的侵蝕面積比率最大，分別為13.34%和13.13%，由于東坡和東北坡受光照時間較短，積溫，植被覆蓋率較低，使土壤侵蝕量增加。

3.2.4 土壤侵蝕與生態系統類型的關系

生態系統類型決定了植被覆蓋因子的取值，因此不同生態系統類型也會對土壤侵蝕產生影響。研究結果表明：旱地的土壤侵蝕模數最大，為2 201.89t/（km2·a），其次為水田和草地，森林和建筑的土壤侵蝕模數較小，而濕地幾乎不會造成土壤侵蝕。

4 結論

本文利用《生態保護紅線劃定指南[2017]》中提出的修正通用土壤流失模型（RULSE）對2018年九寨溝縣的土壤侵蝕量進行了定量計算，并將該區域內的土壤侵蝕強度劃分等級，定量分析了九寨溝縣土壤侵蝕的分空間布特征，并探求其與海拔、坡度、坡向和生態系統類型之間的關系，可對九寨溝縣災后重建中水土流失的治理提供參考。

1）九寨溝縣土壤侵蝕面積為5 258.89km2，年土壤侵蝕總量達到1 636.0kt，年平均土壤侵蝕模數為311.10t/（km2·a），中度及中度以下侵蝕強度面積占總侵蝕面積的94.34%，強度以上侵蝕面積所占比率較小。研究區域總體上土壤侵蝕較為嚴重，需要對侵蝕強度較大區域重點進行防治。

2）九寨溝縣中度及其以上土壤侵蝕主要分布于漳扎鎮，永樂鎮、永豐鄉、保華鄉和郭元鄉。漳扎鎮、大錄鄉、馬家鄉和黑河鄉的年土壤侵蝕量較大，占總侵蝕量的77.52%，其中包括震中處比芒村和九寨溝景區在內，因此，需重點加強上述各鄉鎮的水土流失治理。

3）研究區域內，土壤侵蝕嚴重的區域主要分布在海拔2 000m 以上，占總侵蝕量的91.67%；坡度在20°～40°時，土壤侵蝕量占總侵蝕量的65.22%；坡向為東北坡、東坡、東南坡和西南坡時，土壤侵蝕量占總侵蝕量的57.49%；旱地、水田和草地的土壤侵蝕模數最大，分別為2201.89t/（km2·a）、1507.39t/（km2·a）、427.17t/（km2·a）。

九寨溝縣孕育了我國國家級自然保護區和重點風景名勝-九寨溝，但由于地震襲來，加劇了區域內的水土流失，為了恢復當地的生態環境，應加強對該區域內水土流失的監測和治理，重建“九寨天堂”。