基于GIS 的溝壑區蘋果花期凍害評估技術

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 個最低溫度觀測數據，結合志丹縣高程數據、蘋果種植數據，開展志丹縣最低溫度插值方法和溫度對果樹影響的分析研究。結果表明，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域，應進行種植調整；5 月1 日最低溫度表現為河谷最低，隨著海拔升高溫度也在升高的特征。隨機森林加一元線性回歸進行溫度插值可將擬合誤差降到1 °C 左右，空間插值精度達到30 m，對河谷和山頂果園溫度模擬結果較好，半山坡的溫度模擬略差；溫度空間分布與蘋果種植數據相結合，發現2022 年約有3.2% 的蘋果園受到低溫的重度影響，能精準指出蘋果受溫度影響的地塊位置、面積大小及影響程度，對凍害預警、影響評估和災后補救有科學指導意義。

關鍵詞：溝壑區；蘋果凍害；評估技術；GIS

中圖分類號：S162文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0068-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.012

0 引言

我國蘋果種植面積和產量均居世界首位，是重要的經濟林果[1]。而隨著氣候變化，蘋果適宜種植區北移西擴，適宜區主要位于黃土高原大部分地區和環渤海地區，黃土高原南部由適宜種植區轉變為次適宜種植區，黃土高原北部及陜甘交界處由次適宜種植區轉變為適宜種植區[2]。在氣候變化背景下，不僅蘋果種植區域發生了變化，蘋果物候也有了明顯提前[3-5]。近25 年來，黃土高原蘋果主產地氣候呈暖濕變化特征，春季物候期呈提前趨勢，影響時段內平均溫度每升高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，造成花期凍害加劇[6]。針對花期預報、凍害指標、風險區劃及凍害預防進行了許多研究與試驗[7-14]。

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

在山地蘋果生產中，主要面臨著花期凍害、干旱、冰雹和冬季越冬凍害等氣象災害，特別是花期凍害的影響尤為嚴重，出現了2010、2013、2015、2018 和2020年大范圍凍害天氣和2021 年局部凍害天氣，影響了蘋果產業發展[16-17]。在陜北山地蘋果氣象服務過程中，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，對蘋果凍害天氣預警、預防有較大影響[18-19]。為了解決花期凍害天氣的氣象服務，志丹縣2021 年在山頂果園建設了多個微型氣象站，用以觀測果園溫度、風、氣壓和降水等氣象要素，為開展山地果園氣象科研和服務提供了第一手數據。GIS 技術在果園提取、空間溫度分布上得到了較多應用[20-21]。本研究利用志丹縣氣象觀測站、氣象區域天氣站和果園氣象站數據，分析基于GIS 環境下的溫度分布和花期凍害評估技術，對提升山地蘋果氣象服務技術和蘋果產業發展具有重大意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

志丹縣位于陜西省北部黃土高原丘陵溝壑區，地理位置為東經108°11 ′56 ″～ 109°3 ′48 ″， 北緯36°21′23″～37°11′47″。志丹縣區域面積3 790 km2，海拔高度1 093～1 741 m。志丹縣常住人口15.51 萬人，其中農業人口6.377 萬人。志丹縣屬溫帶大陸性季風氣候區，四季變化明顯，但分配不均，冬季長達189 d，夏季只有9 d。2001—2020 年平均日照時數2 332 h，年平均溫度8.9 °C，年均降水量523 mm，年均無霜期160 d[22]。

志丹縣蘋果栽培從20 世紀70 年代開始，到80 年代，全縣蘋果面積發展到 2 000 hm2，90 年代后，因農業產業結構調整、石油工業興起，蘋果面積逐年下降。2007 年， 蘋果產業被確立為志丹縣的主導產業；2019 年，全縣蘋果園面積達到2 萬hm2，掛果園面積達到8 300 hm2，總產量9 萬t，實現產值達4.3 億元。

1.2 資料來源

氣象數據由志丹縣氣象站提供。蘋果遙感種植分布圖及數據由陜西省農業遙感與經濟作物氣象服務中心提供，具體由武漢珈和科技有限公司利用2020 年哨兵衛星資料進行蘋果分類識別，遙感識別志丹縣蘋果種植面積1.97 萬 hm2，與統計面積非常接近。

1.3 方法

利用ARCMAP 中柵格計算器CON 函數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、溫度對蘋果園影響圖；利用Spatial Analyst 工具計算蘋果種植面積數據。

溫度空間插值有許多方法，但ARCMAP 提供的常規插值方法，包括反距離權重（IDW）、規則樣條函數（SPLINE）、普通克里金（OK）及趨勢面（TREND）空間插值很難反映復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 個地面氣象觀測站獲取的最低溫度數據與對應的觀測站海拔高度、經緯度進行隨機森林回歸分析，得到志丹柵格溫度數據。再對溫度實測值與隨機森林回歸計算值進行一元線性回歸分析，利用一元線性方程對柵格溫度數據進行訂正，得到最終的溫度空間插值圖。

1.3.1 隨機森林回歸

隨機森林是 2001 年由 LeoBreiman 和 Culter Adele開發的一種數據挖掘方法，與人工神經網絡、支持向量機等機器學習方法相比，隨機森林算法具有運算量小、容納樣本數量大等優點。隨機森林算法對非線性數據有著更好的擬合效果，減少了均方根誤差、提高了模型的預估精度[23-25]。

利用DPS 數據處理系統提供的隨機森林回歸算法，建立回歸模型，輸出數據[26]。

根據前期試驗研究，建立志丹縣溫度與海拔、經緯度的隨機森林回歸模型時，訓練樣本為總樣本數的70%，袋外樣本為30%。決策樹的數目設置為100。

1.3.2 一元線性回歸

一元線性回歸方程反映一個因變量與一個自變量之間的線性關系。在Excel 中將大量數據繪制成散點圖，進行線性傾向估計得到回歸直線，使各散點到這條直線的縱向距離之和最小。

2 數據分析

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%。根據調查，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，春梢生長慢，秋梢生長旺，不易成花，容易發生抽條、凍花、果實“霜環”及著色不良等問題，不適宜栽植果樹[28]。

海拔高度≤1 200 m 蘋果種植園應適當調整。

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，應進行適當地改造，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 個方位進行分類，然后統計不同方位蘋果種植面積及占比，如圖4 所示?？梢钥闯?，在各個朝向都有蘋果種植，但面向東南、西南和南方向的蘋果種植面積占比達到50% 以上，面向東方向蘋果種植面積占比也達到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，合計達到了11.7%，與蘋果園栽植地塊選擇背風向陽的原則相違背，容易受到凍害影響。

2.2 溫度分析

2022 年5 月1 日出現了春季蘋果花期最低溫度，志丹縣最低溫度?5.6～6.4 °C，據調查，個別地方出現蘋果花期凍害。

2.2.1 溫度數值分析

5 月1 日志丹縣是冷空氣過后的冷高壓控制，夜間天氣晴好，地表輻射降溫強烈，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。分析發現有8 個果園溫度觀測數據≤0 °C，19個果園溫度觀測數據>0 °C。分析溫度與海拔、經緯度的相關系數，海拔與溫度的相關系數0.771 8，而與經緯度相關系數很小說明海拔越高溫度越高。

2.2.2 溫度插值分析

通過隨機森林回歸計算，5 月1 日志丹縣樣本數均方誤差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擬合情況較好，但在中間溫度模擬結果略差。線性回歸方程的相關系數0.864 3，為極顯著相關。

對2022 年5 月1 日最低溫度數據經隨機森林回歸計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，與實際相差較大；利用ARCGIS 中柵格計算器，對5 月1 日最低溫度柵格圖進行一元回歸方程計算，得出訂正后的溫度分布數據，如圖6 所示。5 月1 日，計算的最低溫度?5.7 °C，最高溫度4.6 °C，最低溫度計算值與實測值非常接近；但最高溫度計算值與實測值差別較大，實測最高溫度6.4 °C，計算最高溫度4.6 °C，相差1.8 °C；訂正后誤差平均由1.9 °C 下降到1 °C。進一步分析，河谷溫度計算誤差0.6 °C，效果最好；果園溫度計算結果較差的是陳山、麻灣、賀老莊和米嶺山等少數地區，這些溫度觀測點處于半山坡，是溫度變化較為劇烈的地方，觀測溫度高而計算溫度低，模擬難度大；剔除這幾個點后，其他果園溫度計算誤差0.8 °C，誤差較小[27]。

2.3 對蘋果園的影響分析

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、持續時間越長，蘋果花朵的受凍率就越高。溫度降至?3 °C，可能出現中度程度受凍，溫度降至?4 °C 以下時出現重度程度災害，本研究用這一指標確定本次降溫對志丹縣蘋果的影響。

志丹縣最低溫度對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。經統計，重度影響占比3.2%、中度影響占比8.1%、輕度影響占比12.7% 及無影響占比76%。與蘋果凍害調查結果相吻合，說明該方法能滿足業務服務需要。

3 結束語

利用遙感反演的志丹縣蘋果種植分布與高程數據結合，發現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要求相違背，容易受到干旱、凍害等氣象災害影響。

觀測資料表明，2022 年5 月1 日最低溫度表現為河谷最低，隨著海拔升高溫度也升高的特征。通過隨機森林回歸對志丹縣最低溫度進行模擬插值，結果較為理想，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。

溫度分布數據與蘋果園分布數據相結合，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，對災前預防、災后評估和補救有指導意義。

通過遙感獲得的蘋果種植數據與分布，溫度插值都有一定的誤差，對分析結果有影響。但通過GIS 手段能實現對陜北山地蘋果的凍害前期預警、后期評估及補救的精細指導。由于溫度受地形影響，隨機森林回歸插值方法還有一定誤差，今后還應做更多的研究，提升溫度插值精度。

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