基于GIS 的溝壑區(qū)蘋果花期凍害評(píng)估技術(shù)

白燕榮 孫智輝 劉志超 曹雪梅 雷延鵬

摘 要： 利用2022 年5 月1 日陜西省志丹縣38 個(gè)最低溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合志丹縣高程數(shù)據(jù)、蘋果種植數(shù)據(jù)，開展志丹縣最低溫度插值方法和溫度對(duì)果樹影響的分析研究。結(jié)果表明，志丹縣分別有3.5%、2.1% 和11.7% 的蘋果種植在陡坡、低洼處和面向北的不適宜栽植區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行種植調(diào)整；5 月1 日最低溫度表現(xiàn)為河谷最低，隨著海拔升高溫度也在升高的特征。隨機(jī)森林加一元線性回歸進(jìn)行溫度插值可將擬合誤差降到1 °C 左右，空間插值精度達(dá)到30 m，對(duì)河谷和山頂果園溫度模擬結(jié)果較好，半山坡的溫度模擬略差；溫度空間分布與蘋果種植數(shù)據(jù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)2022 年約有3.2% 的蘋果園受到低溫的重度影響，能精準(zhǔn)指出蘋果受溫度影響的地塊位置、面積大小及影響程度，對(duì)凍害預(yù)警、影響評(píng)估和災(zāi)后補(bǔ)救有科學(xué)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：溝壑區(qū)；蘋果凍害；評(píng)估技術(shù)；GIS

中圖分類號(hào)：S162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0068-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.012

0 引言

我國(guó)蘋果種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，是重要的經(jīng)濟(jì)林果[1]。而隨著氣候變化，蘋果適宜種植區(qū)北移西擴(kuò)，適宜區(qū)主要位于黃土高原大部分地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)，黃土高原南部由適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇芜m宜種植區(qū)，黃土高原北部及陜甘交界處由次適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜種植區(qū)[2]。在氣候變化背景下，不僅蘋果種植區(qū)域發(fā)生了變化，蘋果物候也有了明顯提前[3-5]。近25 年來(lái)，黃土高原蘋果主產(chǎn)地氣候呈暖濕變化特征，春季物候期呈提前趨勢(shì)，影響時(shí)段內(nèi)平均溫度每升高1 °C，春季各物候期將提前2.20～4.15 d。氣候變化背景下，春季溫度變化劇烈、花期明顯提前，極端天氣頻發(fā)，造成花期凍害加劇[6]。針對(duì)花期預(yù)報(bào)、凍害指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及凍害預(yù)防進(jìn)行了許多研究與試驗(yàn)[7-14]。

在氣候變化和政府政策推動(dòng)下，黃土高原腹地的陜西省蘋果種植也向西和向北發(fā)展，形成了全國(guó)最大的陜北山地蘋果集中連片種植區(qū)域，面積26.67 萬(wàn)hm2 [15]。

在山地蘋果生產(chǎn)中，主要面臨著花期凍害、干旱、冰雹和冬季越冬凍害等氣象災(zāi)害，特別是花期凍害的影響尤為嚴(yán)重，出現(xiàn)了2010、2013、2015、2018 和2020年大范圍凍害天氣和2021 年局部?jī)龊μ鞖?，影響了蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展[16-17]。在陜北山地蘋果氣象服務(wù)過(guò)程中，由于氣象站多位于河谷川道，而蘋果園多建于半山坡以上，受溝壑地形影響，夜間最低溫度有明顯差異，幅度?12～2 °C，對(duì)蘋果凍害天氣預(yù)警、預(yù)防有較大影響[18-19]。為了解決花期凍害天氣的氣象服務(wù)，志丹縣2021 年在山頂果園建設(shè)了多個(gè)微型氣象站，用以觀測(cè)果園溫度、風(fēng)、氣壓和降水等氣象要素，為開展山地果園氣象科研和服務(wù)提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)。GIS 技術(shù)在果園提取、空間溫度分布上得到了較多應(yīng)用[20-21]。本研究利用志丹縣氣象觀測(cè)站、氣象區(qū)域天氣站和果園氣象站數(shù)據(jù)，分析基于GIS 環(huán)境下的溫度分布和花期凍害評(píng)估技術(shù)，對(duì)提升山地蘋果氣象服務(wù)技術(shù)和蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

志丹縣位于陜西省北部黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地理位置為東經(jīng)108°11 ′56 ″～ 109°3 ′48 ″， 北緯36°21′23″～37°11′47″。志丹縣區(qū)域面積3 790 km2，海拔高度1 093～1 741 m。志丹縣常住人口15.51 萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口6.377 萬(wàn)人。志丹縣屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯，但分配不均，冬季長(zhǎng)達(dá)189 d，夏季只有9 d。2001—2020 年平均日照時(shí)數(shù)2 332 h，年平均溫度8.9 °C，年均降水量523 mm，年均無(wú)霜期160 d[22]。

志丹縣蘋果栽培從20 世紀(jì)70 年代開始，到80 年代，全縣蘋果面積發(fā)展到 2 000 hm2，90 年代后，因農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、石油工業(yè)興起，蘋果面積逐年下降。2007 年， 蘋果產(chǎn)業(yè)被確立為志丹縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)；2019 年，全縣蘋果園面積達(dá)到2 萬(wàn)hm2，掛果園面積達(dá)到8 300 hm2，總產(chǎn)量9 萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值達(dá)4.3 億元。

1.2 資料來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)由志丹縣氣象站提供。蘋果遙感種植分布圖及數(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，具體由武漢珈和科技有限公司利用2020 年哨兵衛(wèi)星資料進(jìn)行蘋果分類識(shí)別，遙感識(shí)別志丹縣蘋果種植面積1.97 萬(wàn) hm2，與統(tǒng)計(jì)面積非常接近。

1.3 方法

利用ARCMAP 中柵格計(jì)算器CON 函數(shù)得到志丹縣不同海拔、不同坡度和不同坡向蘋果種植分布圖、溫度對(duì)蘋果園影響圖；利用Spatial Analyst 工具計(jì)算蘋果種植面積數(shù)據(jù)。

溫度空間插值有許多方法，但ARCMAP 提供的常規(guī)插值方法，包括反距離權(quán)重（IDW）、規(guī)則樣條函數(shù)（SPLINE）、普通克里金（OK）及趨勢(shì)面（TREND）空間插值很難反映復(fù)雜地形下夜間最低溫度的分布狀況[21-22]。在最低溫度的插值中，利用38 個(gè)地面氣象觀測(cè)站獲取的最低溫度數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的觀測(cè)站海拔高度、經(jīng)緯度進(jìn)行隨機(jī)森林回歸分析，得到志丹柵格溫度數(shù)據(jù)。再對(duì)溫度實(shí)測(cè)值與隨機(jī)森林回歸計(jì)算值進(jìn)行一元線性回歸分析，利用一元線性方程對(duì)柵格溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，得到最終的溫度空間插值圖。

1.3.1 隨機(jī)森林回歸

隨機(jī)森林是 2001 年由 LeoBreiman 和 Culter Adele開發(fā)的一種數(shù)據(jù)挖掘方法，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法相比，隨機(jī)森林算法具有運(yùn)算量小、容納樣本數(shù)量大等優(yōu)點(diǎn)。隨機(jī)森林算法對(duì)非線性數(shù)據(jù)有著更好的擬合效果，減少了均方根誤差、提高了模型的預(yù)估精度[23-25]。

利用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供的隨機(jī)森林回歸算法，建立回歸模型，輸出數(shù)據(jù)[26]。

根據(jù)前期試驗(yàn)研究，建立志丹縣溫度與海拔、經(jīng)緯度的隨機(jī)森林回歸模型時(shí)，訓(xùn)練樣本為總樣本數(shù)的70%，袋外樣本為30%。決策樹的數(shù)目設(shè)置為100。

1.3.2 一元線性回歸

一元線性回歸方程反映一個(gè)因變量與一個(gè)自變量之間的線性關(guān)系。在Excel 中將大量數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，進(jìn)行線性傾向估計(jì)得到回歸直線，使各散點(diǎn)到這條直線的縱向距離之和最小。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 蘋果種植地形分析

2.1.1 不同海拔高度蘋果種植情況

志丹縣不同海拔高度蘋果園分布如圖1 所示。志丹縣不同海拔高度蘋果種植面積如圖2 所示。志丹縣蘋果種植在海拔1 099～1 710 m，高差達(dá)到611 m，其中1 401～ 1 500 m 蘋果種植面積最大， 占比35.3%，1 501～ 1 600 m 蘋果種植面積占比25.2%， 1 301～1 400 m 蘋果種植面積占比22.8%。海拔高度≤1 200 m蘋果種植面積比例2.1%，≥1 600 m 種植比例5.2%。根據(jù)調(diào)查，在低海拔的山體下坡位近川背灣、槽谷地果園小氣候陰濕、寒冷，果樹萌芽遲，春梢生長(zhǎng)慢，秋梢生長(zhǎng)旺，不易成花，容易發(fā)生抽條、凍花、果實(shí)“霜環(huán)”及著色不良等問(wèn)題，不適宜栽植果樹[28]。

海拔高度≤1 200 m 蘋果種植園應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

2.1.2 不同坡度蘋果種植情況

志丹縣不同坡度蘋果種植面積累計(jì)占比如圖3 所示，蘋果主要分布在坡度≤18°的山坡上。其中，蘋果種植累計(jì)種植占比坡度=0 為26.4%、坡度≤6°為41.1%、坡度≤15°為67.4% 及坡度≤18°為96.5%。

志丹縣蘋果園面積占比有32.6% 種植在坡度≥15°的山坡上，其中還有3.5% 種植在坡度≥18°的山坡上，由于坡陡，夏季降水不易保存，容易受到干旱影響，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗脑?，在樹體周圍修反坡梯田或挖大型魚鱗坑，以有效保蓄降水，解決缺水干旱問(wèn)題。

2.1.3 不同坡向蘋果種植情況

將360°坡向按照北、東北、東、東南、南、西南、西和西北8 個(gè)方位進(jìn)行分類，然后統(tǒng)計(jì)不同方位蘋果種植面積及占比，如圖4 所示?？梢钥闯?，在各個(gè)朝向都有蘋果種植，但面向東南、西南和南方向的蘋果種植面積占比達(dá)到50% 以上，面向東方向蘋果種植面積占比也達(dá)到16.8%。在蘋果種植地塊中，面向西北、北向方向蘋果種植面積占比也較大，合計(jì)達(dá)到了11.7%，與蘋果園栽植地塊選擇背風(fēng)向陽(yáng)的原則相違背，容易受到凍害影響。

2.2 溫度分析

2022 年5 月1 日出現(xiàn)了春季蘋果花期最低溫度，志丹縣最低溫度?5.6～6.4 °C，據(jù)調(diào)查，個(gè)別地方出現(xiàn)蘋果花期凍害。

2.2.1 溫度數(shù)值分析

5 月1 日志丹縣是冷空氣過(guò)后的冷高壓控制，夜間天氣晴好，地表輻射降溫強(qiáng)烈，河谷由于冷空氣下沉堆積，最低溫度明顯低于山頂。河谷最低溫度?5.6～?2.0 °C，平均?3.7 °C，而果園溫度?3.3～6.4 °C，平均1.8 °C。分析發(fā)現(xiàn)有8 個(gè)果園溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)≤0 °C，19個(gè)果園溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)>0 °C。分析溫度與海拔、經(jīng)緯度的相關(guān)系數(shù)，海拔與溫度的相關(guān)系數(shù)0.771 8，而與經(jīng)緯度相關(guān)系數(shù)很小說(shuō)明海拔越高溫度越高。

2.2.2 溫度插值分析

通過(guò)隨機(jī)森林回歸計(jì)算，5 月1 日志丹縣樣本數(shù)均方誤差5.7 °C，平均誤差1.9 °C。

由圖5 可知，模擬溫度在低溫和高溫站點(diǎn)擬合情況較好，但在中間溫度模擬結(jié)果略差。線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)0.864 3，為極顯著相關(guān)。

對(duì)2022 年5 月1 日最低溫度數(shù)據(jù)經(jīng)隨機(jī)森林回歸計(jì)算得到志丹縣最低溫度，模擬出的最低溫度?3.8 °C，最高溫度2.7 °C，與實(shí)際相差較大；利用ARCGIS 中柵格計(jì)算器，對(duì)5 月1 日最低溫度柵格圖進(jìn)行一元回歸方程計(jì)算，得出訂正后的溫度分布數(shù)據(jù)，如圖6 所示。5 月1 日，計(jì)算的最低溫度?5.7 °C，最高溫度4.6 °C，最低溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常接近；但最高溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差別較大，實(shí)測(cè)最高溫度6.4 °C，計(jì)算最高溫度4.6 °C，相差1.8 °C；訂正后誤差平均由1.9 °C 下降到1 °C。進(jìn)一步分析，河谷溫度計(jì)算誤差0.6 °C，效果最好；果園溫度計(jì)算結(jié)果較差的是陳山、麻灣、賀老莊和米嶺山等少數(shù)地區(qū)，這些溫度觀測(cè)點(diǎn)處于半山坡，是溫度變化較為劇烈的地方，觀測(cè)溫度高而計(jì)算溫度低，模擬難度大；剔除這幾個(gè)點(diǎn)后，其他果園溫度計(jì)算誤差0.8 °C，誤差較小[27]。

2.3 對(duì)蘋果園的影響分析

王景紅等[28] 研究表明，陜西省富士系蘋果花期霜凍臨界溫度?2 °C，并且溫度越低、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，蘋果花朵的受凍率就越高。溫度降至?3 °C，可能出現(xiàn)中度程度受凍，溫度降至?4 °C 以下時(shí)出現(xiàn)重度程度災(zāi)害，本研究用這一指標(biāo)確定本次降溫對(duì)志丹縣蘋果的影響。

志丹縣最低溫度對(duì)蘋果園影響分布如圖7 所示，圖中紅色（深色）表示溫度?2 °C，沒有影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，重度影響占比3.2%、中度影響占比8.1%、輕度影響占比12.7% 及無(wú)影響占比76%。與蘋果凍害調(diào)查結(jié)果相吻合，說(shuō)明該方法能滿足業(yè)務(wù)服務(wù)需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用遙感反演的志丹縣蘋果種植分布與高程數(shù)據(jù)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)志丹縣有一定面積的蘋果種植在山體下坡位近川背灣處、槽谷地或面向北、西北方向或坡度≥18°的山坡上，這些地塊與蘋果種植技術(shù)要求相違背，容易受到干旱、凍害等氣象災(zāi)害影響。

觀測(cè)資料表明，2022 年5 月1 日最低溫度表現(xiàn)為河谷最低，隨著海拔升高溫度也升高的特征。通過(guò)隨機(jī)森林回歸對(duì)志丹縣最低溫度進(jìn)行模擬插值，結(jié)果較為理想，客觀反映出河谷川道溫度低而山頂溫度高的特征，可將擬合誤差降低到1 °C 左右。

溫度分布數(shù)據(jù)與蘋果園分布數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以分析得到2022 年志丹縣蘋果受到凍害重度影響占比3.2%、中度影響占比8.1%、輕度影響占比12.7% 及無(wú)影響占比76%。清晰得到蘋果受影響的面積、程度和地理位置，對(duì)災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)后評(píng)估和補(bǔ)救有指導(dǎo)意義。

通過(guò)遙感獲得的蘋果種植數(shù)據(jù)與分布，溫度插值都有一定的誤差，對(duì)分析結(jié)果有影響。但通過(guò)GIS 手段能實(shí)現(xiàn)對(duì)陜北山地蘋果的凍害前期預(yù)警、后期評(píng)估及補(bǔ)救的精細(xì)指導(dǎo)。由于溫度受地形影響，隨機(jī)森林回歸插值方法還有一定誤差，今后還應(yīng)做更多的研究，提升溫度插值精度。

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