土壤风蚀是一个全球性的环境问题。中国是世界上受土壤风蚀危害最严重的国家之一土壤风蚀是中国干旱、半干旱及部分湿润地区土地荒漠化的首要过程。中国风蚀荒漠化面积达160.74×104km2占国土总面积的16.7%严重影响这些地区的资源开发和社会经济持续稳定发展。自20世纪80年代以来土壤风蚀作为沙漠化的首要环节而得到前所未有的重视相继开展了大量的实验研究工作揭示了各种因素对风蚀过程的影响尤其是人为因素对风蚀的加剧作用并提出了不同地区的风蚀防治措施。中国西部山区生态脆弱水土流失现象较为严重威胁着国家的生态安全当地风蚀模数的估算工作对维护其生态环境可持续发展具有一定意义。土壤侵蚀模型的构建能够更好地探寻侵蚀的原因以便对土壤侵蚀进行一系列预测工作减轻其对生态环境的影响。由于侵蚀过程较为复杂因此建模需要充分考虑各项因素例如气象、水文、地质环境、土壤条件等。修正的土壤风蚀方程revised wind erosion equationRWEQ被广泛应用于土壤风蚀预报。该模型由美国农业部USDA农业研究服务Agricultural Research Service组织开发它是一个基于过程模拟的经验性模型。RWEQ模型能够成功模拟田间管理措施、不同作物轮作对风蚀量的影响。将结合案例介绍RWEQ模型的运行及相关的归因分析。从原理、数据、方法、归因分析方面对土壤风蚀情况进行实战。原理篇介绍土壤侵蚀和土壤风蚀的基本原理和主要模型并结合国内外最新的科研成果分析解析数据篇介绍气象、植被、土壤等数据的获取方式介绍各种数据的特点和适用性方法篇介绍RWEQ模型中各个参量提取的方法和要点采用Python与ArcGIS有效结合的运行环境充分利用Python高效地数据处理能力、ArcGIS强大的空间分析及可视化能力通过代码解析和工具实操演练介绍多元化的模型参量提取方法分析篇分析土壤风蚀分布特征及其影响因素介绍通经分析、地理探测器等归因分析方法的原理在R、SPSS等环境中实现对土壤风蚀的归因分析及可视化。通过RWEQ模型运行的全流程实战演练深入理解风蚀模型的原理和驱动因子掌握多源异构数据的处理、模型参量提取、归因分析等风蚀模数估算中的技术在具体实践案例中掌握运用上述原理和技术方法提升风蚀模型的应用能力水平。第一章理论基础1、土壤侵蚀的基本原理土壤侵蚀:在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下土壤、土壤母质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全部过程。土壤侵蚀的分类水力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和风力侵蚀等。土壤侵蚀的危害及原因中国山地丘陵面积广地形起伏大地面组成物质疏松深厚降雨强度大垦殖历史久植被覆盖率低等都是引起土壤侵蚀的重要因素。多种因素的不同组合决定着土壤侵蚀的类型、程度、区域分布以及潜在危险的大小等。2、土壤风蚀模型土壤风蚀发生的机理土壤风蚀的影响因子1风速2地表土壤物理特性3地表覆盖及粗糙度状况.土壤风蚀评估模型风蚀方程模型Wind Erosion Equation, WEQ风蚀方程模型WEQ由Woodruff和Siddoway在1965年提出旨在分析田间地表情况和田间管理措施对侵蚀速率的影响,进而有效防治农田的风力侵蚀。WEQ用于预报美国的农田的年风蚀量(kg/ha-1)。WEQ 是第一个用于估算田间年风蚀量的模型其中包含5组11个变量气候因子、土壤可蚀性、土壤表面粗糙度、田块长度、以及作物残留物。其中土壤可蚀性与气候因子是最重要的因变量。WEQ可用下式表示Ef(I,K,C,L,V)其中E为年风蚀量( t / acre 1 acre 4046 .86m2) ; f为函数关系;Ⅰ为土壤可蚀性( t / acre) ; K为土壤糙度因子; C为气候因子; L为田块裸露长度( ft, 1 ft 30 .48 cm); V为植被因子。修正风蚀方程模型Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)修正的风蚀方程 (revised wind erosion equation, RWEQ)是一种以较高时空分辨率对区域土壤风蚀状况进行长时间序列估算, 从而有效预测风蚀量的模型, 可以为土地沙化防治提供依据 。第二章平台基础1、ArcGIS软件介绍及安装、常用功能介绍ArcGIS版本介绍安装ArcGIS软件界面常用功能介绍ArcGIS工作空间环境设置2、ArcGIS空间分析与制图2.1ArcGIS如何定义坐标系2.2ArcGIS空间分析在ArcGIS软件的空间分析工具箱中提供了大量的栅格数据处理工具其中对栅格数据进行平滑处理的工具在去除图像上的椒盐噪音的处理中有非常重要的作用1提取分析按属性或空间位置提取、按像元值提取2地图代数地图代数语言规则3局部分析栅格数据叠合分析、像元统计、分级、频数取值4邻域分析邻域形状、邻域统计类型、点统计5区域分析分区几何统计、分区统计、面积制表、区域直方图6插值分析反距离权重法、自然邻域法、趋势面法、样条函数法、克里金法7采样与重采样渔网分析、随机点采样、重分类、查找表等2.3ArcGIS版面设计ArcGIS基础地图服务使用配置地图服务器在线地图添加与使用l地图、鹰眼图、范围指示器、格网、表格、图表等的制作与设计。过去踩过的那些坑—常见错误和使用注意事项等第三章RWEQ模型数据支持1.矢量数据的获取与预处理矢量数据的认识矢量数据创建、转换、编辑2.栅格数据的获取与预处理栅格数据的认识栅格数据的输入、输出及转换空间分辨率的认识栅格数据重采样3.基于Python的文本数据的获取与处理Python开发环境搭建Python代码库的安装与讲解对*.txt文件进行读写操作数据的合并文本数据转栅格栅格数据转文本一维矩阵的转换批量数据投影定义与转换4.NetCDF数据的获取与处理NC数据的认识与读取ArcGIS模型构建器的组成第四章RWEQ模型参量提取1、气候因子WF提取风速、气温、降雨、日照辐射以及雪盖天数等气候状况都会影响土壤风蚀模数其共同组成了气候因子。气候因子WF表征了在考虑降雨、温度、日照及雪盖等因素的条件下风力对土壤颗粒的搬运能力其表达式如下式中WF为气象因子kg/mWE为风场强度因子m3/ s3由监测风速μ2m /s、起沙风速μ1假定为5 m/ s和观察周期天数 Nd 计算得到ρ 为空气 密度kg /m3由海拔高度 ELkm和绝对温度 TK 计算得到g 为重力加速度m/s2S为土壤湿度因子无量纲R为降雨量mmI为灌溉量mmRd为降雨次数和或灌溉天数ETP为地表潜在相对蒸发量mm由太阳辐射SRcal /cm2和平均温度 DT℃计算得到SD为雪覆盖因子无量纲P为计算时段内积雪覆盖深度Hsnow大于25.4 mm的概率。Wf因子ETp因子SW因子WF因子2、土壤可蚀性因子EF提取土壤可蚀性是指土壤对侵蚀的敏感性。对于不同的机械组成和理化性质的土壤种类粒度越小有机质含量越低其土壤可蚀性越大越容易被侵蚀反之粒度越粗有机质含量越高其可蚀性越小越不容易被侵蚀。对于土壤可蚀性因子的计算公式如下3、土壤结皮因子SCF提取土壤结皮是指某些低等生物与土表相互作用或降水滴溅在土表上形成的微层一般按产生机理可分为生物性结皮和物理性结皮。其中生物性结皮有利于抵抗土壤风蚀物理性结皮易碎反而加速了土壤被风蚀的过程。其计算公式如下4、植被覆盖度因子C提取不同的植被有着不同的根系也就有不同的固水固沙能力。植被覆盖度因子表示一定植被覆盖条件下对土壤风蚀的抑制作用大小。依据研究区LUCC分类图将植被分为林地、灌木、草地、农田、裸地5个植被类型根据不同的系数计算各植被覆盖度因子。式中ai为不同植被类型的系数其中林地为 -0.153 5灌木为 -0.092 1草地为 -0.151 1农田为-0.043 8裸地为-0.076 8SC为植被覆盖度无量纲由NDVI 数据集计算得到。5、地表粗糙度因子K’提取地表粗糙度是指由地形引起的土地表面粗糙程度对土壤风蚀的影响式中Kr 为因地形起伏产生的地形粗糙度长度 cmCrr 为随机糙度因子取 0ΔH为距离L范围内的海拔高程差m根据不同的起伏地形情况L 具有不同的值。6、土壤风蚀量的计算SL为土壤风蚀量(thm-2a-1)Qmax为风沙最大转移量(kg/m)S为关键地块长度(m)z为下风向最大风蚀出现距离(m)WF为气候因子(kg/m)K’为地表粗糙度因子EF为土壤可蚀性因子SCF为土壤结皮因子C为植被覆盖因子。第四章归因分析1.三江源土壤风蚀量空间分布分析土壤风蚀强度变化是诸多要素共同作用的结果气象因子、下垫面粗糙度、植被覆盖、土壤含水量等因素制约着土壤风蚀强度的差异土地利用、覆盖变化是影响土壤风蚀的重要因子。将结合根据研究区土地利用、覆盖变化信息的提取与分析及其他相关研究成果统计分析研究区空间分布特征为土壤风蚀防治措施方面进行深入分析。2.相关性分析已有研究表明在多个因素空间分布的相关性研究中格网法是一种简单且有效的研究方法。利用ArcGIS渔网工具在研究区域创建一定大小的格网,进行分割地图、采样分析、划分研究单元等。通过格网法分别建立三江源地区植被等因子与潜在风蚀量尧实际风蚀量和防风固沙量的散点图并对散点图进行最优函数拟合探讨其在空间分布上的相关性。3.通径分析以三江源地区2015年年土壤风蚀量为因变量以气候因子和植被覆盖度等因子为自变量进行通径分析量化分析各个因子的直接和间接作用的共同贡献。4.因子探测分析--地理探测器风蚀量的空间分布并非由某单一地理、气候或人文因素导致其形成与多种因素的共同作用密不可分因此对其作用贡献较大的因素将决定其实际的空间分布规律。地理探测器模型GDM是基于空间分化理论和地理信息系统GIS空间分析技术提出的。它通常用于研究影响空间层次异质性的因素及其潜在机制。因子探测器因子探测器可评估某一影响因素对风蚀量的贡献程度具体公式如下其中D为某一影响因子H为风蚀量Q为影响因子对风蚀量的贡献度取值范围是[0-1]N、σ2为样本量及其方差h为样本层数L为影响因子分类数。当Q值越大时表明该影响风蚀量的贡献度越大。l交互作用探测器交互探测器可评估两种影响因子交互作用时对研究区风蚀量的贡献程度以便更准确分析实际多影响因子共同作用下的贡献度。基于R的地理探测器实现① 自变量和因变量数据制备② 地理探测器运行准备③ R软件及程序包的安装、基本设置等④ 地理探测器运行代码解析⑤ 因子探测器结果分析与可视化⑥ 交互探测器结果与可视化第五章RWEQ模型相关的SCI论文撰写技巧1.科技论文结构2.引言科学问题是否清楚逻辑推理是否严密文献综述的写作技巧引言写作的示例3.摘要和结论英文摘要的写作要求摘要的五要素如何构建一篇SCI论文的总结摘要摘要和结论的区别数据来源与预处理模型因子提取方法4.讨论讨论的写作要点讨论撰写中的常见问题5.论文投稿技巧分析6.SCI论文案例分析