基于GIS的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划.pdf

引用本文格式杨爱琴，贺芬芬，孙智辉，等基于 GIS 的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划 J农业工程，2023，13（6）：43-47 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.06.008 YANG Aiqin，HE Fenfen，SUN Zhihui，et alFine zoning of freezing damage risk of apple flowering period in ZhidanCounty based on GISJAgricultural Engineering，2023，13（6）：43-47基于 GIS 的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划杨爱琴，贺芬芬，孙智辉，刘志超（延安市气象局，陕西 延安 716000）摘要：利用陕西省志丹县国家气象站 19602022 年 45 月日最低温度数据和 2021 年 10 月2022 年 5 月志丹县区域天气站、志丹县果园气象站温度观测数据，采用实地调查、数理统计、随机森林回归和自然断点法进行温度统计分析和苹果花期冻害风险区划。结果表明，志丹县苹果花期冻害主要出现在 4 月 1117 日、2426 日和 5 月 1315 日，以 4 月1117 日出现频次最多。花期冻害天气约 2 年一遇，20 世纪 60、70 年代和 21 世纪 00、10 年代苹果花期极端最低温度低，冻害影响重，而 20 世纪 80、90 年代苹果花期极端最低温度高，冻害影响轻。河谷地由于冷空气堆积，温度低，冻害风险较高，不适宜种植苹果；当海拔高度在 1 2001 430 m 时，温度变化剧烈，重、中、轻风险区并存；海拔高度在 1 430 m以上，冻害风险较轻。目前，志丹县约 67.2%果园为轻风险区，25.3%果园为中风险区，7.5%果园处于重风险区。对重风险区果园应进行种植结构调整，中风险区果园要加强冻害防御工作。关键词：苹果；花期；冻害；风险区划；志丹县中图分类号：S165文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）06-0043-05DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.06.008Fine Zoning of Freezing Damage Risk of Apple FloweringPeriod in Zhidan County Based on GISYANG Aiqin，HE Fenfen，SUN Zhihui，LIU Zhichao（Yanan Meteorological Bureau，Yanan Shaanxi 716000，China）Abstract：Used the minimum temperature data from April to May of 1960 to 2022 of Zhidan weather station and temperature observa-tion data of regional weather station and orchard weather station from October 2021 to May 2022，field investigation，mathematical stat-istics，random forest regression，and natural breakpoint method were used for temperature statistical analysis and Zhidan apple flower-ing freezing damage risk zoningResults showed that apple freezing damage in Zhidan mainly appeared on April 11-17，24-26 and May13-15，and appeared the most frequently on April 11-17Average freezing weather was about two yearsExtreme minimum temperat-ure of apple flowering period was low in the 1960s，1970s，2000s and 2010s，and freezing damage was serious，while extreme minim-um temperature of apple flowering period was highed in the 1980s and 1990s，and freezing damage was lightValley land，due to accu-mulation of cold air，low temperature，and high risk of freezing damage，was not suitable for planting applesWhen altitude was from 1 200to 1 430 m，temperature changed sharply，and risk areas of heavy，medium，and light coexistedWhen altitude was above 1 430 m，and risk of freezing damage was relatively lowAt present，about 67.2%of orchards in Zhidan were light risk areas，25.3%were medi-um risk areas and 7.5%were heavy risk areasPlanting structure of orchards in heavy risk area should be adjusted，and orchards in medi-um risk area should strengthen prevention of freezing injuryKeywords：apple，flowering period，freezing damage，risk zoning，Zhidan County 收稿日期：2022-12-05修回日期：2023-04-12基金项目：延安市气象局生态水环境资源开发与应用研究实验室开放基金课题（2022M-8、2022K-1）；秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室面上项目（2021G-7）作者简介：杨爱琴，工程师，主要从事生态与农业气象应用研究E-mail：第 13 卷 第 6 期农业工程Vol.13No.62023 年 6 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJun.20230引言由于苹果生态适应性较强、营养价值高、耐贮性好及供应周期长，许多国家都将其列为主要消费果品而大力推荐1-2。我国是世界上最大的苹果生产和消费国，苹果种植面积和产量均超过世界总量的 50%3-4。截至 2021 年底，延安市苹果面积约占世界的 1/20，全国的 1/9，陕西省的 1/35。国内研究表明，我国苹果适宜种植区随着气候变化的影响发生了改变，苹果主产区呈现向西北地区转移的趋势6-7。朱琳等8研究表明，随着陕西省苹果产业进一步发展，苹果基地县继续向北扩展。潘怀忠等9研究表明，延安市西北部的志丹县成为苹果优生种植区。截至 2021 年底，志丹县苹果园面积达到 2.15 万hm2，挂果园面积达到 1.08 万 hm2，产量 14 万 t，先后被评为苹果基地北扩示范县，全省优质苹果基地县10。近年来，在全球气候变暖背景下，苹果花期提前，冻害风险等级加重，低温冻害已成为影响延安市苹果产量和品质最严重的自然灾害之一。刘璐等11研究表明，近 25 年来，黄土高原苹果主产地温度升高、降水增多，各主产地始花期平均每 10 年提前 3.11 d。王润红等12利用物候模型，研究出 19802019 年各代表站始花期提前速率为 3.44.7 d/10 年。根据实地调查，志丹县苹果始花期由以前的 4 月下旬，提前到近几年的 4 月中旬。一直以来，研究人员都将志丹县划为苹果花期冻害的重风险区，但根据实地调查和分时段苹果花期冻害分析表明，志丹县为花期冻害轻风险区13。偏重于气象观测数据的区划，志丹县多为重度风险区，而基于实地调查分析，近年来志丹县冻害并不严重。这些研究结果均比较简单，将志丹县苹果花期冻害风险划分为一个等级，而志丹县面积大，加之地处陕北黄土高原丘陵沟壑区，气象观测站多处于沟谷，而苹果园多建于半山坡以上，最低温度在沟、峁、坡、梁差异较大，开展基于地形影响下的温度分布规律研究和苹果花期冻害风险分析十分必要。2021 年 10 月，志丹县在山顶建起了许多果园气象站，开展了温度、风等气象要素观测，为开展精细区划奠定了基础。本研究利用志丹县国家气象站近 63 年45 月逐日最低温度及 2021 年 10 月2022 年 5 月志丹县区域天气站和志丹县果园气象站最低温度数据，统计温度的分布特征，建立温度与海拔、经纬度的回归方程；确定志丹县苹果花期冻害风险区划指标，形成基于 GIS 的高精度苹果花期冻害风险区划图，确定志丹县苹果花期冻害的轻、中、重风险区。指导志丹县进行苹果种植规划和调整，制定更加精准的气象服务和防御措施，为冻害防御工作提供气象保障。1资料与方法 1.1资料来源志丹县国家气象站数据来源于陕西省一体化农业气象服务平台，志丹县区域天气站及志丹县果园气象站数据来源于区域自动站统一版数据应用平台，苹果园栅格数据由陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心提供。DEM 为 150 000 数据。1.2方法（1）计算志丹县国家气象站 19602022 年 45月日平均最低温度，通过线性倾向分析，找出这一时期最低温度出现的时段及频率，分析志丹县苹果花期冻害可能影响的时段和最低温度范围。（2）根据陕西省富士系苹果花期霜冻灾害气象指标（表 1），分析出陕西省苹果花期冻害风险区划指标（表 2），再计算各个观测站点的灾损系数，然后对灾损系数进行标准化处理。表 1陕西省富士系苹果花期霜冻指标修订结果Tab.1 Revision results of frost index at flowering stage of Fujiapple in Shaanxi Province霜冻等级极端最低温度/C持续时间/h受冻率/%轻度23650中度2650803342重度33804250 表 2陕西省苹果花期冻害气候风险区划指标Tab.2 Climatic risk zoning index of frost damage in apple floweringperiod in Shaanxi Province灾害类型致灾因子成灾等级指标及灾损系数等级指标灾损系数苹果花期冻害日最低温度/C轻2Tmin00.3中4Tmin20.5重Tmin40.7（3）随机森林是一种以决策树为基本学习器构建的集成算法，其利用 bagging 的思想集成很多决策树来提升模型精度。具有运算量小、容纳样本数量大等优点，对非线性数据有更好的拟合效果，减少了均方根误差、提高了模型的预估精度。在建立灾损系数与地理因子（海拔高度、经度、纬度）的随机森林回归模型时，训练样本的比例为 70%，袋外样本比例为 30%，树的数量为 100。在地理信息数据支持下，利用建立的回归模型进行苹果花期冻害气候风险区划指标的空间小网格插值计算，实现苹果花期冻害气候风险区划指标的空间小网格化插值推算，建立志丹县苹果花期冻 44 农业工程生物环境与能源 害气候风险评价栅格数据层。（4）自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化，是进行数据分类最常用的方法之一。按照自然断点法将计算出的志丹县灾损系数图划分为苹果花期冻害轻风险区、中风险区和重风险区。结合苹果园栅格数据与灾损数据，分析不同风险等级影响下的果园面积与分布。2结果与分析 2.1志丹县国家气象站最低温度出现规律志丹县 4 月上旬最低温度为11 C，出现在 1962年 4 月 3 日；中旬最低温度为7.5 C，出现在 1962 年4 月 13 日；下旬最低温度为6.9 C，出现在 2020 年 4月 24 日；5 月上旬最低温度为4.7 C，出现在 1971年 5 月 6 日；中旬最低温度为4.3 C，出现在 1972 年5 月 15 日；下旬最低温度都在 0 C 以上。志丹县 19602022 年 45 月日最低温度平均值分布如图 1 所示。在 4 月 1117 日、4 月 2426 日和 5月 1315 日温度处于低谷期，从气候角度分析，这 3个时段易受低温天气影响，通过统计出现频次发现，4月 1117 日出现的频率为 4.21 次/10 年。图 1志丹县 19602022 年 45 月日最低温度平均值分布Fig.1 Distribution of average daily minimum temperature fromApril to May in 1960-2022 in Zhidan County 对 2018 年以来出现的花期冻害天气进行调查，志丹县苹果始花期最早出现在 4 月中旬，出现苹果花期冻害时，志丹县国家气象站记录温度均4 C，统计分析出 19602022 年志丹县 4 月中旬之后最低温度为7.5 C，因此把志丹县国家气象站观测温度84 C做为冻害分析指标。从年际变化来看（图 2），志丹县苹果花期冻害平均 1.96 年有 1 次冻害过程。20 世纪 60、70 年代和 21 世纪 00、10 年代苹果花期极端最低温度低，冻害影响重，而 20 世纪 80、90 年代苹果花期极端最低温度高，冻害影响轻。2.2志丹县果园气象站低温分布特征按照志丹县国家气象站观测温度84 C 做为冻害分析指标，对 2021 年 10 月、2022 年 35 月温度进行分析，共出现 16 d 温度符合要求，利用这 16 d 温度开展苹果花期冻害风险区划。由表 3 可知，志丹县区域天气站中日最低温度在20 C 的日数占总日数的 2%，4.02.1 C 的日数占总日数的 25%，4 C 的日数占总日数的 66%。志丹县海拔高度 1 2001 300 m 的果园气象站，日最低温度在20 C 的日数占总日数的 23%，4.02.1 C 的日数占总日数的 56%，4 C 的日数占总日数的 13%；海拔高度 1 3011 400 m 的果园气象站，日最低温度在20 C 的日数占总日数的 38%，4.02.1 C 的日数占总日数的 40%，4 C 的日数占总日数的 9%；海拔高度 1 4011 500 m 的果园气象站，日最低温度在20 C 的日数占总日数的 23%，4.02.1 C 的日数占总日数的 21%，4 C 的日数占总日数的 6%；海拔高度 1 5011 600 m 的果园气象站，日最低温度在20 C 的日数占总日数的 30%，4.02.1 C 的日数占总日数的 5%，无4 C 的日数；海拔高度 1 6011 700 m 的果园气象站，日最低温度在20 C 的日数占总日数的 18%，4.02.1 C 的日数占总日数的 6%，无4 C 的日数。随着海拔的升高，灾损系数逐渐减小，因此可得出日最低温度随海拔高度的升高而升高。2.3志丹县苹果花期冻害风险区划按照温度计算志丹县各个站点的灾损系数，对灾损系数进行标准化处理后，与海拔、经纬度进行随机森林回归。图 3 为对计算的灾损系数与推算的模拟系数形成的散点图，其相关系数为 0.939 2，通过 0.001 的显著性检验，说明利用网格化推算的志丹县灾损系数进行风险区划是可行的。图 4 为按照自然断点法形成志丹县高精度苹果花期冻害风险区划图，将志丹县苹果花期冻害风险区划划分为轻风险区、中风险区、重风险区。2.4志丹县苹果花期冻害风险等级评估根据志丹县苹果花期冻害风险区划，结合苹果园栅格数据与风险区划结果，分析不同风险等级影响下 图 2志丹县 19602022 年 45 月最低温度变化Fig.2 Minimum temperature change from April to May in 1960-2022 in Zhidan County 杨爱琴等：基于 GIS 的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划 45 的果园面积与分布，结果表明，志丹县 7.5%果园处于重风险区、25.3%果园为中风险区及 67.2%果园为轻风险区（图 5）。3结束语志丹县苹果花期冻害天气平均 1.96 年出现 1 次。20 世纪 60、70 年代和 21 世纪 00、10 年代苹果花期极端最低温度低，冻害影响重，而 20 世纪 80、90 年代苹果花期极端最低温度高，冻害影响轻。志丹县苹果花期冻害天气出现时间在 4 月 11 日5 月 15 日，主要受冻时段为 4 月 1117 日，出现的频率为 4.21 次/10 年。志丹县日最低温度随着海拔升高而升高。根据样本数据统计，当海拔高度1 430 m 时，多数站点温度4 C，重度灾损系数为 0；当海拔高度1 530 m 时，表 3志丹县区域天气站、志丹县果园气象站 16 d 内海拔高度与低温冻害情况Tab.3 Altitude and low temperature and freezing damage in 16 days at regional weather stations in Zhidan County andorchard weather stations in Zhidan County站点海拔段/m海拔高度/m平均值/C最小值/C最大值/C不同等级冻害出现日数/d标准化处理轻度中度重度志丹县区域天气站永宁1 1263.06.410.10690.836 5王南沟1 2003.95.82.00880.865 4保安1 2085.98.74.001151.000 0张畔1 2085.27.83.603110.826 9旦八1 2134.98.00.802130.913 5牛寨1 2314.97.13.205110.923 1志丹1 2984.77.32.90880.865 4义正1 2994.36.51.11690.865 4高家湾1 3215.99.12.802140.980 8吴堡1 3895.17.52.603130.961 5纸坊1 4104.87.72.304120.942 3金丁1 4205.17.83.003130.961 5张渠1 5460.89.29.13110.144 2志丹县果园气象站麻地平1 2011 3001 2112.14.73.05820.605 8金丁1 2432.55.12.02840.653 8狼岔嘴1 3011 4001 3050.74.73.29310.413 5青界湾1 3212.75.20.531020.644 2贺渠1 3901.45.61.99310.413 5石洼庄1 4002.25.14.031020.644 2前园子1 4011 5001 4050.14.45.14220.288 5张沟门1 4210.23.33.5230.144 2太白山1 4253.76.20.11960.807 7贺老庄村1 4310.22.63.3330.173 1徐湾1 4401.03.93.1850.413 5何沟1 4622.12.36.6310.076 9阳洼沟1 4850.42.24.2520.182 7王渠1 4980.53.44.0320.125 0托合树湾1 5011 6001 5200.73.17.8330.173 1井坪1 5302.31.56.430.028 8陈山1 5400.91.84.470.144 2麻湾村1 5431.81.46.260.115 4邢家湾1 5551.62.45.5510.134 6桃沟1 6011 7001 6091.22.85.4320.125 0米岭山1 6211.02.74.7320.125 0大庄科1 6282.11.95.830.028 8义正村 N1 6422.31.96.720李渠1 6451.62.55.4310.076 9 图 3志丹县苹果低温冻害风险系数误差Fig.3 Apple low temperature freezing injury risk coefficient error inZhidan County 46 农业工程生物环境与能源 有 50%以上的站点温度2 C，没有出现中度灾损温度。风险区划表明，河谷地由于冷空气堆积，温度低，冻 害 风 险 较 高，不 适 宜 种 植 苹 果；当 海 拔 高 度1 2001 430 m，温度变化剧烈，重、中、轻风险区并存；海拔高度在 1 430 m 以上，冻害风险较轻。风险评估结果表明，志丹县 7.5%果园处于重风险区、25.3%果园为中风险区及 67.2%果园为轻风险区。建议对重风险区果园进行种植结构调整，中风险区果园要加强冻害防御工作。在进行风险区划时，由于志丹县果园气象站建站时间短、温度数据少，对区划结果可能有影响。另外，由于志丹县地形复杂，温度差异大，小网格推算方法在山体中部的误差还较大，今后应根据温度数据的增多继续开展风险区划研究。参考文献 余梅，文艺，毛敏我国苹果对外贸易格局及发展趋势J中国果树，2022（7）：100-104YU Mei，WEN Yi，MAO MinThe pattern and development trend ofChinas apple foreign tradeJChina Fruits，2022（7）：100-1041 霍学喜，刘天军，刘军弟，等2020 年度中国苹果产业发展报告（精简版）J中国果菜，2022，42（2）：1-6HUO Xuexi，LIU Tianjun，LIU Jundi，et alChina apple industry de-velopment report in 2020J China Fruit and Vegetable，2022，42（2）：1-62 朱海燕，刘学忠中国苹果的供给反应研究J林业经济，2017，39（9）：108-1123 吕菲菲，陶吉寒，王晓芳中美苹果产业经济比较分析J陕西农业科学，2016，62（1）：99-1014 路树国苹果提质增效要念好“三亩经”J西北园艺（果树），2021（5）：1-45 屈振江，周广胜中国富士苹果种植的气候适宜性研究J气象学报，2016，74（3）：479-490QU Zhenjiang，ZHOU Guangsheng Climate suitability for potentialFuji apple cultivation in ChinaJActa Meteorologica Sinica，2016，74（3）：479-4906 宋晓丽，张复宏，王洪煜，等我国苹果主产区比较优势空间变迁及影响因素J北方园艺，2018（14）：168-177SONG Xiaoli，ZHANG Fuhong，WANG Hongyu，et alInfluencingfactors and comparative advantage of main apple production in ChinaJNorth 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blooming freezing injury in ShaanxiProvinceJJournal of Natural Disasters，2013，22（1）：219-22513 图 4志丹县苹果花期冻害风险区划Fig.4 Risk zoning map of apple flowering freezing injury inZhidan County 图 5志丹县果园花期冻害风险等级分布Fig.5 Distribution map of frost damage risk grade of orchardflowering in Zhidan County 杨爱琴等：基于 GIS 的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划 47