1. 核心结论根据 RWEQ 原始技术文档《Revised Wind Erosion Equation (RWEQ)》对植被模块的定义如果研究目标是开展中国国家尺度防风固沙服务评估建议将国内文献中常写的单一“C 因子”理解为 RWEQ 的综合植被因子并至少采用逐月计算而不要直接用年平均 NDVI 计算一个年度 C 值。原始 RWEQ 并没有简单地将植被作用表示为一个由 NDVI 决定的 C 因子而是将其拆分为平铺覆盖、直立植被轮廓和生长冠层三个部分。在全国尺度上由于直立残茬、枯落物和植被结构数据较难获得可以先采用遥感植被覆盖度驱动的简化方案但需要明确说明它是对原始植被模块的区域尺度简化。原始文档位于rweq.pdf 可以在我的资源中下载2. 原始 RWEQ 中的植被因子原始 RWEQ 将植被保护作用表示为综合作物因子Combined Crop FactorsCOGC R W E Q C O G S L R f × S L R s × S L R c C_{\mathrm{RWEQ}}COGSLR_f\times SLR_s\times SLR_cCRWEQCOGSLRf×SLRs×SLRc其中S L R f SLR_fSLRf平铺枯落物、作物残茬、石砾等地表非可蚀物覆盖对应的土壤损失比S L R s SLR_sSLRs直立植株或直立残茬迎风轮廓对应的土壤损失比S L R c SLR_cSLRc绿色生长植被冠层对应的土壤损失比三个分量均为无量纲因子通常在 01 之间因子越接近 0植被保护作用越强等于 1 表示基本不存在相应保护作用。2.1 平铺覆盖因子RWEQ 原始文档给出的公式为S L R f exp ( − 0.0438 S C ) SLR_f\exp(-0.0438SC)SLRfexp(−0.0438SC)式中S C SCSC是土壤表面被平铺残茬或其他非可蚀物覆盖的百分比单位为%。例如当S C 50 % SC50\%SC50%时S L R f exp ( − 0.0438 × 50 ) ≈ 0.112 SLR_f\exp(-0.0438\times 50)\approx0.112SLRfexp(−0.0438×50)≈0.112原始模型明确规定石砾覆盖度应加入平铺覆盖度石砾不会随时间分解如果研究的是纯粹的植被防风固沙服务在构建无植被反事实情景时石砾覆盖应继续保留。2.2 直立植被或残茬因子直立植株和残茬通过降低近地表风速抑制风蚀S L R s exp [ − 0.0344 ( S A 0.6413 ) ] SLR_s\exp\left[-0.0344\left(SA^{0.6413}\right)\right]SLRsexp[−0.0344(SA0.6413)]其中S A N × d × h SAN\times d\times hSAN×d×hN NN每平方米直立茎秆数量d dd平均茎秆直径cmh hh茎秆在地面以上的实际直立高度cmS A SASA单位地面的植株轮廓面积c m 2 m − 2 \mathrm{cm^2\,m^{-2}}cm2m−2。当植株倾斜时应使用地面以上的垂直高度而不是茎秆的总长度。2.3 生长冠层因子绿色生长植被冠层的土壤损失比为S L R c exp [ − 5.614 ( c c 0.7366 ) ] SLR_c\exp\left[-5.614\left(cc^{0.7366}\right)\right]SLRcexp[−5.614(cc0.7366)]式中c c cccc为绿色冠层覆盖比例取值范围为 01而不是百分数。例如当c c 0.5 cc0.5cc0.5时S L R c ≈ 0.034 SLR_c\approx0.034SLRc≈0.034这说明原始 RWEQ 对绿色冠层采用的公式与平铺残茬覆盖公式并不相同。3. 国内常用简化方法1方法一国内区域和国家尺度防风固沙研究通常先采用像元二分模型计算植被覆盖度F V C N D V I − N D V I s o i l N D V I v e g − N D V I s o i l FVC\frac{NDVI-NDVI_{soil}}{NDVI_{veg}-NDVI_{soil}}FVCNDVIveg−NDVIsoilNDVI−NDVIsoil然后令S C 100 F V C SC100FVCSC100FVC最后计算C exp ( − 0.0438 S C ) C\exp(-0.0438SC)Cexp(−0.0438SC)该方法数据容易获得、计算简单适合大范围栅格计算因此被广泛应用于宁夏、内蒙古、黄河流域和北方农牧交错带等地区。但是该公式在原始 RWEQ 中直接对应的是S L R f SLR_fSLRf即平铺覆盖因子而不是完整的综合植被因子C O G COGCOG。将遥感绿色植被覆盖度代入该式是一种区域尺度近似。这种简化存在以下主要问题绿色冠层被当成平铺覆盖处理。原始 RWEQ 对绿色冠层使用S L R c SLR_cSLRc公式。NDVI 对枯落物和残茬不敏感。中国北方春季风蚀高发期可能存在大量枯草和秸秆但绿色 NDVI 较低。水平覆盖度不能充分反映植被结构。相同覆盖度的低矮草地、灌丛、农作物残茬和疏林具有不同的近地表空气动力学作用。高覆盖地区存在 NDVI 饱和。森林和高覆盖农田的植被差异可能被压缩。因此在论文或报告中宜明确表述本研究采用的 C 因子为遥感植被覆盖度驱动的综合植被保护系数是对原始 RWEQ 植被模块的区域尺度简化。二方法二另外在一些生态红线等划标准中将不同的生态系统类型进行了划分。不同植被类型的防风固沙效果不同研究将植被分为林地、灌丛、草地、农田、裸地和沙漠六个植被类型根据不同的系数计算各植被覆盖因子 C 值C exp ( − a i S C ) C\exp(-aiSC)Cexp(−aiSC)式中SC 为植被覆盖度ai为不同植被类型的系数分别为林地 0.1535草地0.1151灌丛0.0921裸地0.0768沙地 0.0658农田 0.0438这个系数的确定并没有找到更多的说明。但这里面蕴含一个假设在同等植被覆盖度的情况下农田可能性 沙地可能性 裸地可能性 灌丛可能性 草地可能性 林地可能性4. 中国国家尺度推荐方案4.1 全国一致的基础方案为了兼顾数据可获得性、时间连续性和与国内已有研究的可比性建议第一版全国产品采用逐月遥感植被覆盖度C m exp [ − 0.0438 × 100 F V C m ] C_m\exp\left[-0.0438\times100FVC_m\right]Cmexp[−0.0438×100FVCm]式中m mm表示月份。具体建议如下使用逐月 NDVI而不是年平均 NDVI最好的是得到半月的具体原因参考RWEQ固定地块长度下的反直觉现象由逐月植被指数计算逐月F V C FVCFVC将F V C FVCFVC限制在[ 0 , 1 ] [0,1][0,1]逐月分别计算 C 因子、实际风蚀量和潜在风蚀量将各月风蚀量累加得到年度结果中国北方风蚀高发区如数据允许可进一步采用半月尺度。不建议采用C a n n u a l f ( N D V I ‾ ) C_{annual}f(\overline{NDVI})Cannualf(NDVI)代替S L a n n u a l ∑ m S L m SL_{annual}\sum_m SL_mSLannualm∑SLm原因是植被因子、风速和输沙能力均具有非线性而且中国北方最大风蚀期与最大植被覆盖期通常并不同步。4.2 按土地覆盖类型改进在有条件的情况下可以对林地 0.1535草地0.1151灌丛0.0921裸地0.0768沙地 0.0658农田 0.0438这几个参数进行实验修正。参考文献Fryrear, D. W., Saleh, A., Bilbro, J. D., Schomberg, H. M., Stout, J. E., Zobeck, T. M. (1998).Revised Wind Erosion Equation (RWEQ). USDA-ARS, Wind Erosion and Water Conservation Research Unit, Technical Bulletin No. 1. 本地文件rweq.pdf。Bilbro, J. D., Fryrear, D. W. (1994). Wind erosion losses as related to plant silhouette and soil cover.Agronomy Journal, 86(3), 550–553. https://doi.org/10.2134/agronj1994.00021962008600030017xZhang, H. M., et al. Estimating potential wind erosion of agricultural lands in northern China using the Revised Wind Erosion Equation and geographic information systems.Journal of Soil and Water Conservation, 68(1), 13–21. https://doi.org/10.2489/jswc.68.1.13Regional Potential Wind Erosion Simulation Using Different Models in the Agro-Pastoral Ecotone of Northern China. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9368373/Response of wind erosion dynamics to climate change and human activity in Inner Mongolia, China during 1990 to 2015.Science of the Total Environment. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718317170Assessment of the effects of ecological restoration projects on soil wind erosion in northern China in the past two decades.Geoderma. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816222003460Extension of the Revised Wind Erosion Equation to calculate grassland wind erosion rates based on the137 C s ^{137}Cs137Cstracing technique.Geoderma. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816223006355《基于 RWEQ 的宁夏草地防风固沙服务评估》.资源科学. https://www.resci.cn/CN/abstract/article/1007-7588/43212 RWEQ计算——C因子
1. 核心结论根据 RWEQ 原始技术文档《Revised Wind Erosion Equation (RWEQ)》对植被模块的定义如果研究目标是开展中国国家尺度防风固沙服务评估建议将国内文献中常写的单一“C 因子”理解为 RWEQ 的综合植被因子并至少采用逐月计算而不要直接用年平均 NDVI 计算一个年度 C 值。原始 RWEQ 并没有简单地将植被作用表示为一个由 NDVI 决定的 C 因子而是将其拆分为平铺覆盖、直立植被轮廓和生长冠层三个部分。在全国尺度上由于直立残茬、枯落物和植被结构数据较难获得可以先采用遥感植被覆盖度驱动的简化方案但需要明确说明它是对原始植被模块的区域尺度简化。原始文档位于rweq.pdf 可以在我的资源中下载2. 原始 RWEQ 中的植被因子原始 RWEQ 将植被保护作用表示为综合作物因子Combined Crop FactorsCOGC R W E Q C O G S L R f × S L R s × S L R c C_{\mathrm{RWEQ}}COGSLR_f\times SLR_s\times SLR_cCRWEQCOGSLRf×SLRs×SLRc其中S L R f SLR_fSLRf平铺枯落物、作物残茬、石砾等地表非可蚀物覆盖对应的土壤损失比S L R s SLR_sSLRs直立植株或直立残茬迎风轮廓对应的土壤损失比S L R c SLR_cSLRc绿色生长植被冠层对应的土壤损失比三个分量均为无量纲因子通常在 01 之间因子越接近 0植被保护作用越强等于 1 表示基本不存在相应保护作用。2.1 平铺覆盖因子RWEQ 原始文档给出的公式为S L R f exp ( − 0.0438 S C ) SLR_f\exp(-0.0438SC)SLRfexp(−0.0438SC)式中S C SCSC是土壤表面被平铺残茬或其他非可蚀物覆盖的百分比单位为%。例如当S C 50 % SC50\%SC50%时S L R f exp ( − 0.0438 × 50 ) ≈ 0.112 SLR_f\exp(-0.0438\times 50)\approx0.112SLRfexp(−0.0438×50)≈0.112原始模型明确规定石砾覆盖度应加入平铺覆盖度石砾不会随时间分解如果研究的是纯粹的植被防风固沙服务在构建无植被反事实情景时石砾覆盖应继续保留。2.2 直立植被或残茬因子直立植株和残茬通过降低近地表风速抑制风蚀S L R s exp [ − 0.0344 ( S A 0.6413 ) ] SLR_s\exp\left[-0.0344\left(SA^{0.6413}\right)\right]SLRsexp[−0.0344(SA0.6413)]其中S A N × d × h SAN\times d\times hSAN×d×hN NN每平方米直立茎秆数量d dd平均茎秆直径cmh hh茎秆在地面以上的实际直立高度cmS A SASA单位地面的植株轮廓面积c m 2 m − 2 \mathrm{cm^2\,m^{-2}}cm2m−2。当植株倾斜时应使用地面以上的垂直高度而不是茎秆的总长度。2.3 生长冠层因子绿色生长植被冠层的土壤损失比为S L R c exp [ − 5.614 ( c c 0.7366 ) ] SLR_c\exp\left[-5.614\left(cc^{0.7366}\right)\right]SLRcexp[−5.614(cc0.7366)]式中c c cccc为绿色冠层覆盖比例取值范围为 01而不是百分数。例如当c c 0.5 cc0.5cc0.5时S L R c ≈ 0.034 SLR_c\approx0.034SLRc≈0.034这说明原始 RWEQ 对绿色冠层采用的公式与平铺残茬覆盖公式并不相同。3. 国内常用简化方法1方法一国内区域和国家尺度防风固沙研究通常先采用像元二分模型计算植被覆盖度F V C N D V I − N D V I s o i l N D V I v e g − N D V I s o i l FVC\frac{NDVI-NDVI_{soil}}{NDVI_{veg}-NDVI_{soil}}FVCNDVIveg−NDVIsoilNDVI−NDVIsoil然后令S C 100 F V C SC100FVCSC100FVC最后计算C exp ( − 0.0438 S C ) C\exp(-0.0438SC)Cexp(−0.0438SC)该方法数据容易获得、计算简单适合大范围栅格计算因此被广泛应用于宁夏、内蒙古、黄河流域和北方农牧交错带等地区。但是该公式在原始 RWEQ 中直接对应的是S L R f SLR_fSLRf即平铺覆盖因子而不是完整的综合植被因子C O G COGCOG。将遥感绿色植被覆盖度代入该式是一种区域尺度近似。这种简化存在以下主要问题绿色冠层被当成平铺覆盖处理。原始 RWEQ 对绿色冠层使用S L R c SLR_cSLRc公式。NDVI 对枯落物和残茬不敏感。中国北方春季风蚀高发期可能存在大量枯草和秸秆但绿色 NDVI 较低。水平覆盖度不能充分反映植被结构。相同覆盖度的低矮草地、灌丛、农作物残茬和疏林具有不同的近地表空气动力学作用。高覆盖地区存在 NDVI 饱和。森林和高覆盖农田的植被差异可能被压缩。因此在论文或报告中宜明确表述本研究采用的 C 因子为遥感植被覆盖度驱动的综合植被保护系数是对原始 RWEQ 植被模块的区域尺度简化。二方法二另外在一些生态红线等划标准中将不同的生态系统类型进行了划分。不同植被类型的防风固沙效果不同研究将植被分为林地、灌丛、草地、农田、裸地和沙漠六个植被类型根据不同的系数计算各植被覆盖因子 C 值C exp ( − a i S C ) C\exp(-aiSC)Cexp(−aiSC)式中SC 为植被覆盖度ai为不同植被类型的系数分别为林地 0.1535草地0.1151灌丛0.0921裸地0.0768沙地 0.0658农田 0.0438这个系数的确定并没有找到更多的说明。但这里面蕴含一个假设在同等植被覆盖度的情况下农田可能性 沙地可能性 裸地可能性 灌丛可能性 草地可能性 林地可能性4. 中国国家尺度推荐方案4.1 全国一致的基础方案为了兼顾数据可获得性、时间连续性和与国内已有研究的可比性建议第一版全国产品采用逐月遥感植被覆盖度C m exp [ − 0.0438 × 100 F V C m ] C_m\exp\left[-0.0438\times100FVC_m\right]Cmexp[−0.0438×100FVCm]式中m mm表示月份。具体建议如下使用逐月 NDVI而不是年平均 NDVI最好的是得到半月的具体原因参考RWEQ固定地块长度下的反直觉现象由逐月植被指数计算逐月F V C FVCFVC将F V C FVCFVC限制在[ 0 , 1 ] [0,1][0,1]逐月分别计算 C 因子、实际风蚀量和潜在风蚀量将各月风蚀量累加得到年度结果中国北方风蚀高发区如数据允许可进一步采用半月尺度。不建议采用C a n n u a l f ( N D V I ‾ ) C_{annual}f(\overline{NDVI})Cannualf(NDVI)代替S L a n n u a l ∑ m S L m SL_{annual}\sum_m SL_mSLannualm∑SLm原因是植被因子、风速和输沙能力均具有非线性而且中国北方最大风蚀期与最大植被覆盖期通常并不同步。4.2 按土地覆盖类型改进在有条件的情况下可以对林地 0.1535草地0.1151灌丛0.0921裸地0.0768沙地 0.0658农田 0.0438这几个参数进行实验修正。参考文献Fryrear, D. W., Saleh, A., Bilbro, J. D., Schomberg, H. M., Stout, J. E., Zobeck, T. M. (1998).Revised Wind Erosion Equation (RWEQ). USDA-ARS, Wind Erosion and Water Conservation Research Unit, Technical Bulletin No. 1. 本地文件rweq.pdf。Bilbro, J. D., Fryrear, D. W. (1994). Wind erosion losses as related to plant silhouette and soil cover.Agronomy Journal, 86(3), 550–553. https://doi.org/10.2134/agronj1994.00021962008600030017xZhang, H. M., et al. Estimating potential wind erosion of agricultural lands in northern China using the Revised Wind Erosion Equation and geographic information systems.Journal of Soil and Water Conservation, 68(1), 13–21. https://doi.org/10.2489/jswc.68.1.13Regional Potential Wind Erosion Simulation Using Different Models in the Agro-Pastoral Ecotone of Northern China. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9368373/Response of wind erosion dynamics to climate change and human activity in Inner Mongolia, China during 1990 to 2015.Science of the Total Environment. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718317170Assessment of the effects of ecological restoration projects on soil wind erosion in northern China in the past two decades.Geoderma. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816222003460Extension of the Revised Wind Erosion Equation to calculate grassland wind erosion rates based on the137 C s ^{137}Cs137Cstracing technique.Geoderma. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816223006355《基于 RWEQ 的宁夏草地防风固沙服务评估》.资源科学. https://www.resci.cn/CN/abstract/article/1007-7588/43212