基于GIS 的陜西省志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)區(qū)劃

楊愛(ài)琴， 賀芬芬， 孫智輝， 劉志超

（延安市氣象局，陜西 延安 716000）

0 引言

國(guó)內(nèi)研究表明，我國(guó)蘋果適宜種植區(qū)隨著氣候變化的影響發(fā)生了改變，蘋果主產(chǎn)區(qū)呈現(xiàn)向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[6-7]。朱琳等[8]研究表明，隨著陜西省蘋果產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，蘋果基地縣繼續(xù)向北擴(kuò)展。潘懷忠等[9]研究表明，延安市西北部的志丹縣成為蘋果優(yōu)生種植區(qū)。截至2021 年底，志丹縣蘋果園面積達(dá)到2.15 萬(wàn)hm2，掛果園面積達(dá)到1.08 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量14 萬(wàn)t，先后被評(píng)為蘋果基地北擴(kuò)示范縣，全省優(yōu)質(zhì)蘋果基地縣[10]。

近年來(lái)，在全球氣候變暖背景下，蘋果花期提前，凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)加重，低溫凍害已成為影響延安市蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。劉璐等[11]研究表明，近25 年來(lái)，黃土高原蘋果主產(chǎn)地溫度升高、降水增多，各主產(chǎn)地始花期平均每10 年提前3.11 d。王潤(rùn)紅等[12]利用物候模型，研究出1980—2019 年各代表站始花期提前速率為3.4～4.7 d/10 年。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，志丹縣蘋果始花期由以前的4 月下旬，提前到近幾年的4 月中旬。一直以來(lái)，研究人員都將志丹縣劃為蘋果花期凍害的重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，但根據(jù)實(shí)地調(diào)查和分時(shí)段蘋果花期凍害分析表明，志丹縣為花期凍害輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[13]。偏重于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)劃，志丹縣多為重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，而基于實(shí)地調(diào)查分析，近年來(lái)志丹縣凍害并不嚴(yán)重。這些研究結(jié)果均比較簡(jiǎn)單，將志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)劃分為一個(gè)等級(jí)，而志丹縣面積大，加之地處陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，氣象觀測(cè)站多處于溝谷，而蘋果園多建于半山坡以上，最低溫度在溝、峁、坡、梁差異較大，開(kāi)展基于地形影響下的溫度分布規(guī)律研究和蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)分析十分必要。

2021 年10 月，志丹縣在山頂建起了許多果園氣象站，開(kāi)展了溫度、風(fēng)等氣象要素觀測(cè)，為開(kāi)展精細(xì)區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。本研究利用志丹縣國(guó)家氣象站近63 年4—5 月逐日最低溫度及2021 年10 月—2022 年5 月志丹縣區(qū)域天氣站和志丹縣果園氣象站最低溫度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)溫度的分布特征，建立溫度與海拔、經(jīng)緯度的回歸方程；確定志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)，形成基于GIS 的高精度蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，確定志丹縣蘋果花期凍害的輕、中、重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。指導(dǎo)志丹縣進(jìn)行蘋果種植規(guī)劃和調(diào)整，制定更加精準(zhǔn)的氣象服務(wù)和防御措施，為凍害防御工作提供氣象保障。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

志丹縣國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)來(lái)源于陜西省一體化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺(tái)，志丹縣區(qū)域天氣站及志丹縣果園氣象站數(shù)據(jù)來(lái)源于區(qū)域自動(dòng)站統(tǒng)一版數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，蘋果園柵格數(shù)據(jù)由陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心提供。DEM 為1∶50 000 數(shù)據(jù)。

1.2 方法

（1）計(jì)算志丹縣國(guó)家氣象站1960—2022 年4—5月日平均最低溫度，通過(guò)線性傾向分析，找出這一時(shí)期最低溫度出現(xiàn)的時(shí)段及頻率，分析志丹縣蘋果花期凍害可能影響的時(shí)段和最低溫度范圍。

（2）根據(jù)陜西省富士系蘋果花期霜凍災(zāi)害氣象指標(biāo)（表1），分析出陜西省蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)（表2），再計(jì)算各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的災(zāi)損系數(shù)，然后對(duì)災(zāi)損系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表1 陜西省富士系蘋果花期霜凍指標(biāo)修訂結(jié)果Tab.1 Revision results of frost index at flowering stage of Fuji apple in Shaanxi Province

表2 陜西省蘋果花期凍害氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)Tab.2 Climatic risk zoning index of frost damage in apple flowering period in Shaanxi Province

（3）隨機(jī)森林是一種以決策樹為基本學(xué)習(xí)器構(gòu)建的集成算法，其利用 bagging 的思想集成很多決策樹來(lái)提升模型精度。具有運(yùn)算量小、容納樣本數(shù)量大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)非線性數(shù)據(jù)有更好的擬合效果，減少了均方根誤差、提高了模型的預(yù)估精度。在建立災(zāi)損系數(shù)與地理因子（海拔高度、經(jīng)度、緯度）的隨機(jī)森林回歸模型時(shí)，訓(xùn)練樣本的比例為70%，袋外樣本比例為30%，樹的數(shù)量為100。在地理信息數(shù)據(jù)支持下，利用建立的回歸模型進(jìn)行蘋果花期凍害氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)的空間小網(wǎng)格插值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)蘋果花期凍害氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)的空間小網(wǎng)格化插值推算，建立志丹縣蘋果花期凍害氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)柵格數(shù)據(jù)層。

（4）自然斷點(diǎn)法是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律分級(jí)和分類的統(tǒng)計(jì)方法，它能使類與類之間的不同最大化，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分類最常用的方法之一。按照自然斷點(diǎn)法將計(jì)算出的志丹縣災(zāi)損系數(shù)圖劃分為蘋果花期凍害輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。結(jié)合蘋果園柵格數(shù)據(jù)與災(zāi)損數(shù)據(jù)，分析不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)影響下的果園面積與分布。

概念性知識(shí)是生物學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，張樹虎等人依據(jù)生物學(xué)概念存在的形態(tài)將生物學(xué)概念分為直接概念、描述型概念、創(chuàng)設(shè)型概念。其中，創(chuàng)設(shè)型概念是指事實(shí)存在的生命現(xiàn)象，但無(wú)法將其對(duì)應(yīng)到實(shí)質(zhì)的知覺(jué)上，必須依靠想象后才能知道，例如基因、有氧呼吸、進(jìn)化等。從某種程度上說(shuō)，學(xué)習(xí)生物學(xué)科知識(shí)的重點(diǎn)，就是理解概念及由概念構(gòu)成的知識(shí)系統(tǒng)，學(xué)生只有準(zhǔn)確、清晰、有層次地理解和掌握了生物學(xué)“創(chuàng)設(shè)型”概念，才能更好地學(xué)會(huì)生物學(xué)，這也是提高學(xué)習(xí)能力和解決生物學(xué)問(wèn)題的邏輯基礎(chǔ)。下面從概念表征的角度探究學(xué)生的“創(chuàng)設(shè)型”生物學(xué)概念的表征現(xiàn)狀，為構(gòu)建“創(chuàng)設(shè)型”生物學(xué)概念的教學(xué)提供參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 志丹縣國(guó)家氣象站最低溫度出現(xiàn)規(guī)律

志丹縣4 月上旬最低溫度為-11 °C，出現(xiàn)在1962年4 月3 日；中旬最低溫度為-7.5 °C，出現(xiàn)在1962 年4 月13 日；下旬最低溫度為-6.9 °C，出現(xiàn)在2020 年4月24 日；5 月上旬最低溫度為-4.7 °C，出現(xiàn)在1971年5 月6 日；中旬最低溫度為-4.3 °C，出現(xiàn)在1972 年5 月15 日；下旬最低溫度都在0 °C 以上。

志丹縣1960—2022 年4—5 月日最低溫度平均值分布如圖1 所示。在4 月11—17 日、4 月24—26 日和5月13—15 日溫度處于低谷期，從氣候角度分析，這3個(gè)時(shí)段易受低溫天氣影響，通過(guò)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)頻次發(fā)現(xiàn)，4月11—17 日出現(xiàn)的頻率為4.21 次/10 年。

圖1 志丹縣1960—2022 年4—5 月日最低溫度平均值分布Fig.1 Distribution of average daily minimum temperature from April to May in 1960-2022 in Zhidan County

對(duì)2018 年以來(lái)出現(xiàn)的花期凍害天氣進(jìn)行調(diào)查，志丹縣蘋果始花期最早出現(xiàn)在4 月中旬，出現(xiàn)蘋果花期凍害時(shí)，志丹縣國(guó)家氣象站記錄溫度均＜-4 °C，統(tǒng)計(jì)分析出1960—2022 年志丹縣4 月中旬之后最低溫度為-7.5 °C，因此把志丹縣國(guó)家氣象站觀測(cè)溫度-8～-4 °C做為凍害分析指標(biāo)。從年際變化來(lái)看（圖2），志丹縣蘋果花期凍害平均1.96 年有1 次凍害過(guò)程。20 世紀(jì)60、70 年代和21 世紀(jì)00、10 年代蘋果花期極端最低溫度低，凍害影響重，而20 世紀(jì)80、90 年代蘋果花期極端最低溫度高，凍害影響輕。

圖2 志丹縣1960—2022 年4—5 月最低溫度變化Fig.2 Minimum temperature change from April to May in 1960-2022 in Zhidan County

2.2 志丹縣果園氣象站低溫分布特征

按照志丹縣國(guó)家氣象站觀測(cè)溫度-8～-4 °C 做為凍害分析指標(biāo)，對(duì)2021 年10 月、2022 年3—5 月溫度進(jìn)行分析，共出現(xiàn)16 d 溫度符合要求，利用這16 d 溫度開(kāi)展蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

由表3 可知，志丹縣區(qū)域天氣站中日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的2%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的25%，＜-4 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的66%。

表3 志丹縣區(qū)域天氣站、志丹縣果園氣象站16 d 內(nèi)海拔高度與低溫凍害情況Tab.3 Altitude and low temperature and freezing damage in 16 days at regional weather stations in Zhidan County and orchard weather stations in Zhidan County

志丹縣海拔高度1 200～1 300 m 的果園氣象站，日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的23%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的56%，＜-4 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的13%；海拔高度1 301～1 400 m 的果園氣象站，日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的38%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的40%，＜-4 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的9%；海拔高度1 401～1 500 m 的果園氣象站，日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的23%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的21%，＜-4 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的6%；海拔高度1 501～1 600 m 的果園氣象站，日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的30%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的5%，無(wú)＜-4 °C 的日數(shù)；海拔高度1 601～1 700 m 的果園氣象站，日最低溫度在-2～0 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的18%，-4.0～-2.1 °C 的日數(shù)占總?cè)諗?shù)的6%，無(wú)＜-4 °C 的日數(shù)。隨著海拔的升高，災(zāi)損系數(shù)逐漸減小，因此可得出日最低溫度隨海拔高度的升高而升高。

2.3 志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

按照溫度計(jì)算志丹縣各個(gè)站點(diǎn)的災(zāi)損系數(shù)，對(duì)災(zāi)損系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，與海拔、經(jīng)緯度進(jìn)行隨機(jī)森林回歸。圖3 為對(duì)計(jì)算的災(zāi)損系數(shù)與推算的模擬系數(shù)形成的散點(diǎn)圖，其相關(guān)系數(shù)為0.939 2，通過(guò)0.001 的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明利用網(wǎng)格化推算的志丹縣災(zāi)損系數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是可行的。

圖3 志丹縣蘋果低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差Fig.3 Apple low temperature freezing injury risk coefficient error in Zhidan County

圖4 為按照自然斷點(diǎn)法形成志丹縣高精度蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，將志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃劃分為輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖4 志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.4 Risk zoning map of apple flowering freezing injury in Zhidan County

2.4 志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

根據(jù)志丹縣蘋果花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，結(jié)合蘋果園柵格數(shù)據(jù)與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果，分析不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)影響下的果園面積與分布，結(jié)果表明，志丹縣7.5%果園處于重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、25.3%果園為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及67.2%果園為輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（圖5）。

圖5 志丹縣果園花期凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布Fig.5 Distribution map of frost damage risk grade of orchard flowering in Zhidan County

3 結(jié)束語(yǔ)

志丹縣蘋果花期凍害天氣平均1.96 年出現(xiàn)1 次。20 世紀(jì)60、70 年代和21 世紀(jì)00、10 年代蘋果花期極端最低溫度低，凍害影響重，而20 世紀(jì)80、90 年代蘋果花期極端最低溫度高，凍害影響輕。

志丹縣蘋果花期凍害天氣出現(xiàn)時(shí)間在4 月11 日—5 月15 日，主要受凍時(shí)段為4 月11—17 日，出現(xiàn)的頻率為4.21 次/10 年。

志丹縣日最低溫度隨著海拔升高而升高。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)海拔高度≥1 430 m 時(shí)，多數(shù)站點(diǎn)溫度≥-4 °C，重度災(zāi)損系數(shù)為0；當(dāng)海拔高度≥1 530 m 時(shí)，有50%以上的站點(diǎn)溫度≥-2 °C，沒(méi)有出現(xiàn)中度災(zāi)損溫度。

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃表明，河谷地由于冷空氣堆積，溫度低，凍害風(fēng)險(xiǎn)較高，不適宜種植蘋果；當(dāng)海拔高度1 200～1 430 m，溫度變化劇烈，重、中、輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)并存；海拔高度在1 430 m 以上，凍害風(fēng)險(xiǎn)較輕。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，志丹縣7.5%果園處于重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、25.3%果園為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及67.2%果園為輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。建議對(duì)重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)果園進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)果園要加強(qiáng)凍害防御工作。

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃時(shí)，由于志丹縣果園氣象站建站時(shí)間短、溫度數(shù)據(jù)少，對(duì)區(qū)劃結(jié)果可能有影響。另外，由于志丹縣地形復(fù)雜，溫度差異大，小網(wǎng)格推算方法在山體中部的誤差還較大，今后應(yīng)根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的增多繼續(xù)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。