延安市溝壑區(qū)櫻桃低溫凍害風險區(qū)劃研究

仇 莉，孫智輝，姜宗祖，師明芳，賀星焜

（1.延安市氣象局，陜西 延安 716000；2.延安普化防雷有限責任公司，陜西 延安 716000；3.延安市寶塔區(qū)氣象局，陜西 延安 716000；4.延安市延川縣氣象局，陜西 延安 717200）

0 引言

延安市位于陜西省北部，地處黃河中游，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，土地總面積3.7 萬km2。地勢西北高，東南低。屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，全年氣候變化受制于季風環(huán)流影響，冬季冷，年平均氣溫8.2～10.8 °C，年極端最低氣溫—28.7～—22.5 °C。櫻桃是朝陽產(chǎn)業(yè)，在延安市已初具規(guī)?；l(fā)展。根據(jù)2020 年延安市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，延安市櫻桃種植面積為204.2 hm2，掛果面積101.07 hm2，產(chǎn)量253 t，種植的品種有紅燈、美早、薩米脫等。櫻桃作為落葉果樹中成熟最早的果品，有著較好的銷售市場，但由于延安市地理環(huán)境特殊，低溫凍害頻發(fā)，嚴重制約了櫻桃生產(chǎn)及經(jīng)濟效益的提高。

近年來，國內(nèi)很多專家學者對櫻桃進行了研究，如張福興等[1]對我國甜櫻桃種植區(qū)劃進行了研究，王瑩等[2]對遼寧省大櫻桃氣候品質(zhì)認證技術(shù)進行研究，楊亞利等[3-4]對陜西省銅川市核桃花期凍害風險區(qū)劃和銅川市櫻桃生長氣象條件進行分析研究，都全勝等[5]對安塞山地櫻桃氣候區(qū)劃進行研究。但在實踐生產(chǎn)中，由于農(nóng)民在種植地塊的選擇上存在盲目性，造成經(jīng)常性出現(xiàn)冬季低溫凍害和春季花期凍害，導致減產(chǎn)或絕產(chǎn)，挫傷了農(nóng)民種植果樹的積極性。通過分析延安市冬季、春季櫻桃低溫凍害的發(fā)生規(guī)律及影響，進行冬季低溫凍害和春季花期凍害風險區(qū)劃，為后期擴大櫻桃種植規(guī)模、低溫凍害防御等工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料通過陜西省氣象數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和延安市區(qū)域自動站統(tǒng)一版數(shù)據(jù)應用平臺查詢系統(tǒng)獲得。選取延安市13 個國家氣象站1991—2020 年的年極端最低氣溫、每年4 月中旬—5 月中旬（春季花期）旬極端最低氣溫和109 個加密區(qū)域站2008—2020 年的年極端最低氣溫、2013—2020 年每年4 月中旬—5 月中旬的旬極端最低氣溫觀測資料。延安市溫度觀測站點分布如圖1 所示，延安市DEM 數(shù)據(jù)為1∶50 000。

圖1 延安市溫度觀測站點分布Fig.1 Distribution of temperature observation stations in Yan'an City

1.2 研究方法

1.2.1 溫度序列延長

由于加密區(qū)域站獲取的溫度觀測資料時間較短，因此利用Excel 對13 個國家氣象站2008—2020 年的年極端最低氣溫和對應加密區(qū)域站的年極端最低氣溫制作散點圖，進行線性傾向分析，通過R2確定兩者之間的相關(guān)程度，通過一元線性回歸方程將加密區(qū)域站溫度觀測數(shù)據(jù)延長到1991 年，形成時間一致的溫度序列數(shù)據(jù)[6]。

1.2.2 溫度插值分析

挑取30 年各個氣象站點的極端最低溫度，利用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立延安市溫度與氣象站點海拔高度、經(jīng)緯度的多元線性回歸方程，在ARCGIS10.6 中利用柵格計算器計算出延安市溫度分布圖，對實測溫度與計算溫度的殘差進行反權(quán)重距離（IDW）插值，得到殘差分布圖，將溫度分布圖與殘差圖相加，得到最終的冬季最低或春季溫度分布圖[6-8]。

1.2.3 風險區(qū)劃圖制作

根據(jù)櫻桃冬季越冬凍害指標和春季花期凍害指標，在ARCGIS10.6 中對溫度分布圖進行高、中、低風險區(qū)劃分，得到延安市櫻桃冬季、春季低溫凍害風險區(qū)劃圖。

2 低溫凍害風險區(qū)劃

2.1 構(gòu)建年極端最低氣溫訂正模型

設(shè)x為國家氣象站的年極端最低氣溫，y為對應加密區(qū)域站的年極端最低氣溫，在Excel 中建立兩者之間的散點圖，并建立一元線性回歸方程。由于站點較多，不做一一展示，圖2 分別為延安北部的志丹氣象站與張畔加密區(qū)域站、南部的富縣氣象站與安子頭加密區(qū)域站制作的溫度散點圖和線性趨勢圖，由R2可以看出，國家氣象站與加密區(qū)域站的年極端最低氣溫相關(guān)性很好，擬合度較高，利用這一方法對溫度序列進行延長，數(shù)據(jù)比較準確。

圖2 志丹縣、富縣國家氣象站和加密區(qū)域站年極端最低氣溫擬合Fig.2 Fitting of annual extreme minimum temperature of national meteorological stations in Zhidan County，F(xiàn)uxian County and encrypted regional stations

2.2 櫻桃低溫凍害風險指標

2.2.1 冬季櫻桃低溫凍害風險指標

櫻桃是喜溫不耐寒的樹種。冬季（12 月—次年2 月）櫻桃處于休眠期，最低溫度不能低于—20 °C，過低的溫度易使土壤發(fā)生凍結(jié)，果樹不易吸收土壤水分，樹枝容易發(fā)生抽條現(xiàn)象，也會引起大枝縱裂和流膠，嚴重情況下則會造成樹木死亡的現(xiàn)象[9]。由此可見，冬季低溫凍害是決定櫻桃能否存活的關(guān)鍵氣象條件。

通過對安塞區(qū)南溝、宋塔、方家河，甘泉縣道鎮(zhèn)，富縣太安村櫻桃種植園進行實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當冬季極端最低溫度≥—20 °C 時不會出現(xiàn)凍害，極端最低溫度≤—23 °C 時，會出現(xiàn)樹干凍裂、凍死現(xiàn)象。根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果并結(jié)合陜西省櫻桃生長適宜性分析中極端最低氣溫的劃分標準，建立了延安市冬季櫻桃凍害風險指標，如表1 所示[10]。

表1 延安市冬季、春季櫻桃低溫凍害風險指標Tab.1 Risk indicators of low temperature and freezing damage of cherries in Yan'an in winter and spring

2.2.2 春季櫻桃低溫凍害風險指標

花期低溫凍害是春季（3—5 月）的主要氣象災害，此時正是延安市櫻桃樹的萌芽到開花坐果期，低溫災害容易造成櫻桃花期受凍減產(chǎn)，不易坐果，導致商品果率下降，危害較大。根據(jù)實地調(diào)查，延安市櫻桃花期到座果期在4 月中旬—5 月中旬。根據(jù)相關(guān)文獻，建立了延安市春季櫻桃低溫凍害風險指標，如表1 所示[11-14]。

2.3 櫻桃低溫凍害風險區(qū)劃分

2.3.1 冬季低溫凍害風險區(qū)劃

延安市冬季最低溫度與經(jīng)度、緯度、海拔高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.605 8、—0.54、—0.391 5，均通過0.001 的可信度檢驗。建立最低溫度與經(jīng)緯度、海拔的多元線性回歸方程

式中y—溫度

x1—經(jīng)度

x2—緯度

x3—海拔高度

方程相關(guān)系數(shù)R2＝0.764 8，F(xiàn)＝105.23，P＜0.000 1，通過顯著性檢驗。

在ARCGIS10.6 中，利用多元線性回歸方程計算出延安市冬季最低溫度分布圖，如圖3 所示。延安市溫度分布總體特征：一是延安市東部和南部溫度高，西北部溫度最低，并且溫度隨海拔高度的升高而降低；二是河谷溫度低于相近的山頂溫度，呈現(xiàn)出河谷冷而山體上部暖的細微特征，這個溫度特征與實際觀測相符，將使風險區(qū)劃結(jié)果更為合理。

圖3 延安市冬季最低溫度分布Fig.3 Minimum temperature distribution map of Yan'an in winter

對冬季溫度回歸方程的溫度殘差進行分析，結(jié)果如圖4 和圖5 所示，殘差主要分布±2 °C 之間，占比達到79%，殘差在±1 °C 之間的占比達56%，殘差比較大的主要是南部塬區(qū)和山頂站溫度模擬過低，對吳起北部無定河流域高海拔區(qū)域和林區(qū)河谷站溫度模擬過高，但所占比例較低。

圖4 延安市冬季最低溫度回歸分析殘差分析Fig.4 Residual analysis of regression analysis of minimum temperature in winter in Yan'an City

圖5 延安市冬季最低溫度回歸分析殘差I(lǐng)DW 插值Fig.5 IDW interpolation of regression analysis residual of minimum temperature in winter in Yan'an City

將回歸分析溫度圖和殘差溫度分布圖相加，再利用凍害指標進行分區(qū)，得到最終的延安市櫻桃冬季低溫凍害風險區(qū)劃圖，如圖6 所示。

圖6 延安市櫻桃冬季低溫凍害風險區(qū)劃Fig.6 Zoning map of low temperature and freezing injury risk of cherries in Yan'an City in winter

2.3.2春季花期凍害風險區(qū)劃

延安市春季最低溫度與經(jīng)度、緯度、海拔高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.656 2、—0.203 5、—0.528 8，緯度與溫度的相關(guān)系數(shù)略低，通過0.005 的可信度檢驗，經(jīng)度、海拔相關(guān)系數(shù)通過0.001 的可信度檢驗。建立最低溫度與經(jīng)緯度、海拔的多元線性回歸方程

式中 y—溫度

x1—經(jīng)度

x2—緯度

x3—海拔高度

方程相關(guān)系數(shù)R2＝0.659 8，F(xiàn)＝49.317 6，P＜0.000 1，通過顯著性檢驗。

對春季溫度回歸方程的溫度殘差進行分析（圖略），殘差在±2 °C 之間的占比達到88%，殘差在±1 °C 之間的比例為52%，春季的回歸效果較好。同樣，利用GIS 技術(shù)，得到春季櫻桃花期凍害風險有區(qū)劃圖，如圖7 所示。

圖7 延安市櫻桃春季花期凍害風險區(qū)劃Fig.7 Zoning map of freezing damage risk of cherry spring flowering in Yan'an City

3 低溫凍害風險區(qū)劃分析

結(jié)合圖6 和圖7 可知，延安市櫻桃冬季低溫凍害風險區(qū)與春季花期凍害風險區(qū)的分布范圍大致相同，延安市東部的黃河沿岸山地和延安市南部塬區(qū)為低風險區(qū)，延安市北部為高風險區(qū)。不同的是，延安市北部的山地櫻桃越冬困難但春季花期凍害影響較輕，所以在做好冬季防護措施的情況下，也可發(fā)展山地櫻桃；在延安市南部塬區(qū)的局部地區(qū)，越冬條件雖好，但春季花期凍害有影響。

3.1 低風險區(qū)

黃河沿岸一帶的延長縣、宜川縣，以及延川縣中東部、寶塔區(qū)東部，延安市南部的黃龍縣、洛川縣、黃陵縣極端最低溫度在—20 °C（—1.0 °C）以上，該區(qū)域地貌以黃土高原和平原為主，海拔較低，川塬區(qū)冬季低溫凍害和春季花期低溫凍害過程較弱，屬于櫻桃低溫凍害低風險區(qū)。

3.2 中風險區(qū)

甘泉縣、富縣，以及寶塔區(qū)（東部除外）、延川縣中西部、子長南部、安塞南部極端氣溫為—23 °C（—2.9 °C）～—20 °C（—1.1 °C），該區(qū)域大多屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，溝壑縱橫、川道狹長，梁峁較多，冬季低溫凍害和春季花期低溫凍害過程相對較弱，為櫻桃低溫凍害中風險區(qū)。

3.3 高風險區(qū)

吳起縣、志丹縣，以及安塞區(qū)北部、子長市北部極端最低氣溫低于—23 °C（—3.0 °C），該區(qū)域?qū)儆邳S土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，海拔相對較高，冬季極端最低氣溫較低，春季花期低溫凍害過程中降溫強度最大，為櫻桃低溫凍害高風險區(qū)。

4 結(jié)論與討論

（1）通過建立一元線性回歸方程，利用長序列國家氣象觀測數(shù)據(jù)對加密區(qū)域站溫度數(shù)據(jù)進行訂正延長，建立了延安市122 個觀測站30 年的溫度序列數(shù)據(jù)，為開展櫻桃凍害災害精細區(qū)劃提供了可靠數(shù)據(jù)。

（2）通過實地調(diào)查，結(jié)合文獻，確定了延安市櫻桃冬季低溫凍害指標和春季花期凍害指標。

（3）建立溫度與海拔、經(jīng)緯度的多元線性回歸方程，將溫度進行空間插值，得到符合延安市地形特點的溝谷冷而山頂暖的最低溫度空間分布，利用風險區(qū)劃指標，得到延安市櫻桃冬季低溫凍害和春季花期凍害風險區(qū)劃結(jié)果。

（4）雖然在進行風險區(qū)劃時增加了許多加密區(qū)域站，但氣象站的數(shù)量特別是北部山地溫度觀測站少，導致多元回歸方程計算溫度誤差還比較大，影響風險區(qū)劃結(jié)果。今后應通過臨時增加觀測數(shù)量和采用機器學習等方法提高溫度插值精度，提供更加精細的櫻桃低溫凍害風險區(qū)劃。

（5）分析得出黃河沿線的延長縣、宜川縣，以及延川縣中東部、寶塔區(qū)東部，延安市南部的黃龍縣、洛川縣、黃陵縣為櫻桃低溫凍害低風險區(qū)；甘泉縣、富縣，以及寶塔區(qū)西部、延川縣中西部、子長市南部、安塞區(qū)南部為櫻桃低溫凍害中風險區(qū)；吳起縣、志丹縣，以及安塞區(qū)北部、子長市北部為低溫凍害高風險區(qū)。