基于GIS 的沟壑区苹果花期冻害评估技术

白燕荣 孙智辉 刘志超 曹雪梅 雷延鹏

摘 要： 利用2022 年5 月1 日陕西省志丹县38 个最低温度观测数据，结合志丹县高程数据、苹果种植数据，开展志丹县最低温度插值方法和温度对果树影响的分析研究。结果表明，志丹县分别有3.5%、2.1% 和11.7% 的苹果种植在陡坡、低洼处和面向北的不适宜栽植区域，应进行种植调整；5 月1 日最低温度表现为河谷最低，随着海拔升高温度也在升高的特征。随机森林加一元线性回归进行温度插值可将拟合误差降到1 °C 左右，空间插值精度达到30 m，对河谷和山顶果园温度模拟结果较好，半山坡的温度模拟略差；温度空间分布与苹果种植數据相结合，发现2022 年约有3.2% 的苹果园受到低温的重度影响，能精准指出苹果受温度影响的地块位置、面积大小及影响程度，对冻害预警、影响评估和灾后补救有科学指导意义。

关键词：沟壑区；苹果冻害；评估技术；GIS

中图分类号：S162文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）08-0068-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.012

0 引言

我国苹果种植面积和产量均居世界首位，是重要的经济林果[1]。而随着气候变化，苹果适宜种植区北移西扩，适宜区主要位于黄土高原大部分地区和环渤海地区，黄土高原南部由适宜种植区转变为次适宜种植区，黄土高原北部及陕甘交界处由次适宜种植区转变为适宜种植区[2]。在气候变化背景下，不仅苹果种植区域发生了变化，苹果物候也有了明显提前[3-5]。近25 年来，黄土高原苹果主产地气候呈暖湿变化特征，春季物候期呈提前趋势，影响时段内平均温度每升高1 °C，春季各物候期将提前2.20～4.15 d。气候变化背景下，春季温度变化剧烈、花期明显提前，极端天气频发，造成花期冻害加剧[6]。针对花期预报、冻害指标、风险区划及冻害预防进行了许多研究与试验[7-14]。

在气候变化和政府政策推动下，黄土高原腹地的陕西省苹果种植也向西和向北发展，形成了全国最大的陕北山地苹果集中连片种植区域，面积26.67 万hm2 [15]。

在山地苹果生产中，主要面临着花期冻害、干旱、冰雹和冬季越冬冻害等气象灾害，特别是花期冻害的影响尤为严重，出现了2010、2013、2015、2018 和2020年大范围冻害天气和2021 年局部冻害天气，影响了苹果产业发展[16-17]。在陕北山地苹果气象服务过程中，由于气象站多位于河谷川道，而苹果园多建于半山坡以上，受沟壑地形影响，夜间最低温度有明显差异，幅度?12～2 °C，对苹果冻害天气预警、预防有较大影响[18-19]。为了解决花期冻害天气的气象服务，志丹县2021 年在山顶果园建设了多个微型气象站，用以观测果园温度、风、气压和降水等气象要素，为开展山地果园气象科研和服务提供了第一手数据。GIS 技术在果园提取、空间温度分布上得到了较多应用[20-21]。本研究利用志丹县气象观测站、气象区域天气站和果园气象站数据，分析基于GIS 环境下的温度分布和花期冻害评估技术，对提升山地苹果气象服务技术和苹果产业发展具有重大意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

志丹县位于陕西省北部黄土高原丘陵沟壑区，地理位置为东经108°11 ′56 ″～ 109°3 ′48 ″， 北纬36°21′23″～37°11′47″。志丹县区域面积3 790 km2，海拔高度1 093～1 741 m。志丹县常住人口15.51 万人，其中农业人口6.377 万人。志丹县属温带大陆性季风气候区，四季变化明显，但分配不均，冬季长达189 d，夏季只有9 d。2001—2020 年平均日照时数2 332 h，年平均温度8.9 °C，年均降水量523 mm，年均无霜期160 d[22]。

志丹县苹果栽培从20 世纪70 年代开始，到80 年代，全县苹果面积发展到 2 000 hm2，90 年代后，因农业产业结构调整、石油工业兴起，苹果面积逐年下降。2007 年， 苹果产业被确立为志丹县的主导产业；2019 年，全县苹果园面积达到2 万hm2，挂果园面积达到8 300 hm2，总产量9 万t，实现产值达4.3 亿元。

1.2 资料来源

气象数据由志丹县气象站提供。苹果遥感种植分布图及数据由陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心提供，具体由武汉珈和科技有限公司利用2020 年哨兵卫星资料进行苹果分类识别，遥感识别志丹县苹果种植面积1.97 万 hm2，与统计面积非常接近。

1.3 方法

利用ARCMAP 中栅格计算器CON 函数得到志丹县不同海拔、不同坡度和不同坡向苹果种植分布图、温度对苹果园影响图；利用Spatial Analyst 工具计算苹果种植面积数据。

温度空间插值有许多方法，但ARCMAP 提供的常规插值方法，包括反距离权重（IDW）、规则样条函数（SPLINE）、普通克里金（OK）及趋势面（TREND）空间插值很难反映复杂地形下夜间最低温度的分布状况[21-22]。在最低温度的插值中，利用38 个地面气象观测站获取的最低温度数据与对应的观测站海拔高度、经纬度进行随机森林回归分析，得到志丹栅格温度数据。再对温度实测值与随机森林回归计算值进行一元线性回归分析，利用一元线性方程对栅格温度数据进行订正，得到最终的温度空间插值图。

1.3.1 随机森林回归

随机森林是 2001 年由 LeoBreiman 和 Culter Adele开发的一种数据挖掘方法，与人工神经网络、支持向量机等机器学习方法相比，随机森林算法具有运算量小、容纳样本数量大等优点。随机森林算法对非线性数据有着更好的拟合效果，减少了均方根误差、提高了模型的预估精度[23-25]。

利用DPS 数据处理系统提供的随机森林回归算法，建立回归模型，输出数据[26]。

根据前期试验研究，建立志丹县温度与海拔、经纬度的随机森林回归模型时，训练样本为总样本数的70%，袋外样本为30%。决策树的数目设置为100。

1.3.2 一元线性回归

一元线性回归方程反映一个因变量与一个自变量之间的线性关系。在Excel 中将大量数据绘制成散点图，进行线性倾向估计得到回归直线，使各散点到这条直线的纵向距离之和最小。

2 数据分析

2.1 苹果种植地形分析

2.1.1 不同海拔高度苹果种植情况

志丹县不同海拔高度苹果园分布如图1 所示。志丹县不同海拔高度苹果种植面积如图2 所示。志丹县苹果种植在海拔1 099～1 710 m，高差达到611 m，其中1 401～ 1 500 m 苹果种植面积最大， 占比35.3%，1 501～ 1 600 m 苹果种植面积占比25.2%， 1 301～1 400 m 苹果种植面积占比22.8%。海拔高度≤1 200 m苹果种植面积比例2.1%，≥1 600 m 种植比例5.2%。根据调查，在低海拔的山体下坡位近川背湾、槽谷地果园小气候阴湿、寒冷，果树萌芽迟，春梢生长慢，秋梢生长旺，不易成花，容易发生抽条、冻花、果实“霜环”及着色不良等问题，不适宜栽植果树[28]。

海拔高度≤1 200 m 苹果种植园应适当调整。

2.1.2 不同坡度苹果种植情况

志丹县不同坡度苹果种植面积累计占比如图3 所示，苹果主要分布在坡度≤18°的山坡上。其中，苹果种植累计种植占比坡度=0 为26.4%、坡度≤6°为41.1%、坡度≤15°为67.4% 及坡度≤18°为96.5%。

志丹县苹果园面积占比有32.6% 种植在坡度≥15°的山坡上，其中还有3.5% 种植在坡度≥18°的山坡上，由于坡陡，夏季降水不易保存，容易受到干旱影响，应进行适当地改造，在树体周围修反坡梯田或挖大型鱼鳞坑，以有效保蓄降水，解决缺水干旱问题。

2.1.3 不同坡向苹果种植情况

将360°坡向按照北、东北、东、东南、南、西南、西和西北8 个方位进行分类，然后统计不同方位苹果种植面积及占比，如图4 所示。可以看出，在各个朝向都有苹果种植，但面向东南、西南和南方向的苹果种植面积占比达到50% 以上，面向东方向苹果种植面积占比也达到16.8%。在苹果种植地块中，面向西北、北向方向苹果种植面积占比也较大，合计达到了11.7%，与苹果园栽植地块选择背风向阳的原则相违背，容易受到冻害影响。

2.2 温度分析

2022 年5 月1 日出現了春季苹果花期最低温度，志丹县最低温度?5.6～6.4 °C，据调查，个别地方出现苹果花期冻害。

2.2.1 温度数值分析

5 月1 日志丹县是冷空气过后的冷高压控制，夜间天气晴好，地表辐射降温强烈，河谷由于冷空气下沉堆积，最低温度明显低于山顶。河谷最低温度?5.6～?2.0 °C，平均?3.7 °C，而果园温度?3.3～6.4 °C，平均1.8 °C。分析发现有8 个果园温度观测数据≤0 °C，19个果园温度观测数据>0 °C。分析温度与海拔、经纬度的相关系数，海拔与温度的相关系数0.771 8，而与经纬度相关系数很小说明海拔越高温度越高。

2.2.2 温度插值分析

通过随机森林回归计算，5 月1 日志丹县样本数均方误差5.7 °C，平均误差1.9 °C。

由图5 可知，模拟温度在低温和高温站点拟合情况较好，但在中间温度模拟结果略差。线性回归方程的相关系数0.864 3，为极显著相关。

对2022 年5 月1 日最低温度数据经随机森林回归计算得到志丹县最低温度，模拟出的最低温度?3.8 °C，最高温度2.7 °C，与实际相差较大；利用ARCGIS 中栅格计算器，对5 月1 日最低温度栅格图进行一元回归方程计算，得出订正后的温度分布数据，如图6 所示。5 月1 日，计算的最低温度?5.7 °C，最高温度4.6 °C，最低温度计算值与实测值非常接近；但最高温度计算值与实测值差别较大，实测最高温度6.4 °C，计算最高温度4.6 °C，相差1.8 °C；订正后误差平均由1.9 °C 下降到1 °C。进一步分析，河谷温度计算误差0.6 °C，效果最好；果园温度计算结果较差的是陈山、麻湾、贺老庄和米岭山等少数地区，这些温度观测点处于半山坡，是温度变化较为剧烈的地方，观测温度高而计算温度低，模拟难度大；剔除这几个点后，其他果园温度计算误差0.8 °C，误差较小[27]。

2.3 对苹果园的影响分析

王景红等[28] 研究表明，陕西省富士系苹果花期霜冻临界温度?2 °C，并且温度越低、持续时间越长，苹果花朵的受冻率就越高。温度降至?3 °C，可能出现中度程度受冻，温度降至?4 °C 以下时出现重度程度灾害，本研究用这一指标确定本次降温对志丹县苹果的影响。

志丹县最低温度对苹果园影响分布如图7 所示，图中红色（深色）表示温度?2 °C，没有影响。经统计，重度影响占比3.2%、中度影响占比8.1%、轻度影响占比12.7% 及无影响占比76%。与苹果冻害调查结果相吻合，说明该方法能满足业务服务需要。

3 结束语

利用遥感反演的志丹县苹果种植分布与高程数据结合，发现志丹县有一定面积的苹果种植在山体下坡位近川背湾处、槽谷地或面向北、西北方向或坡度≥18°的山坡上，这些地块与苹果种植技术要求相违背，容易受到干旱、冻害等气象灾害影响。

观测资料表明，2022 年5 月1 日最低温度表现为河谷最低，随着海拔升高温度也升高的特征。通过随机森林回归对志丹县最低温度进行模拟插值，结果较为理想，客观反映出河谷川道温度低而山顶温度高的特征，可将拟合误差降低到1 °C 左右。

温度分布数据与苹果园分布数据相结合，可以分析得到2022 年志丹县苹果受到冻害重度影响占比3.2%、中度影响占比8.1%、轻度影响占比12.7% 及无影响占比76%。清晰得到苹果受影响的面积、程度和地理位置，对灾前预防、灾后评估和补救有指导意义。

通过遥感获得的苹果种植数据与分布，温度插值都有一定的误差，对分析结果有影响。但通过GIS 手段能实现对陕北山地苹果的冻害前期预警、后期评估及补救的精细指导。由于温度受地形影响，随机森林回归插值方法还有一定误差，今后还应做更多的研究，提升温度插值精度。

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