基于GIS 的陕西省志丹县苹果花期冻害风险精细区划

杨爱琴， 贺芬芬， 孙智辉， 刘志超

（延安市气象局，陕西 延安 716000）

0 引言

国内研究表明，我国苹果适宜种植区随着气候变化的影响发生了改变，苹果主产区呈现向西北地区转移的趋势[6-7]。朱琳等[8]研究表明，随着陕西省苹果产业进一步发展，苹果基地县继续向北扩展。潘怀忠等[9]研究表明，延安市西北部的志丹县成为苹果优生种植区。截至2021 年底，志丹县苹果园面积达到2.15 万hm2，挂果园面积达到1.08 万hm2，产量14 万t，先后被评为苹果基地北扩示范县，全省优质苹果基地县[10]。

近年来，在全球气候变暖背景下，苹果花期提前，冻害风险等级加重，低温冻害已成为影响延安市苹果产量和品质最严重的自然灾害之一。刘璐等[11]研究表明，近25 年来，黄土高原苹果主产地温度升高、降水增多，各主产地始花期平均每10 年提前3.11 d。王润红等[12]利用物候模型，研究出1980—2019 年各代表站始花期提前速率为3.4～4.7 d/10 年。根据实地调查，志丹县苹果始花期由以前的4 月下旬，提前到近几年的4 月中旬。一直以来，研究人员都将志丹县划为苹果花期冻害的重风险区，但根据实地调查和分时段苹果花期冻害分析表明，志丹县为花期冻害轻风险区[13]。偏重于气象观测数据的区划，志丹县多为重度风险区，而基于实地调查分析，近年来志丹县冻害并不严重。这些研究结果均比较简单，将志丹县苹果花期冻害风险划分为一个等级，而志丹县面积大，加之地处陕北黄土高原丘陵沟壑区，气象观测站多处于沟谷，而苹果园多建于半山坡以上，最低温度在沟、峁、坡、梁差异较大，开展基于地形影响下的温度分布规律研究和苹果花期冻害风险分析十分必要。

2021 年10 月，志丹县在山顶建起了许多果园气象站，开展了温度、风等气象要素观测，为开展精细区划奠定了基础。本研究利用志丹县国家气象站近63 年4—5 月逐日最低温度及2021 年10 月—2022 年5 月志丹县区域天气站和志丹县果园气象站最低温度数据，统计温度的分布特征，建立温度与海拔、经纬度的回归方程；确定志丹县苹果花期冻害风险区划指标，形成基于GIS 的高精度苹果花期冻害风险区划图，确定志丹县苹果花期冻害的轻、中、重风险区。指导志丹县进行苹果种植规划和调整，制定更加精准的气象服务和防御措施，为冻害防御工作提供气象保障。

1 资料与方法

1.1 资料来源

志丹县国家气象站数据来源于陕西省一体化农业气象服务平台，志丹县区域天气站及志丹县果园气象站数据来源于区域自动站统一版数据应用平台，苹果园栅格数据由陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心提供。DEM 为1∶50 000 数据。

1.2 方法

（1）计算志丹县国家气象站1960—2022 年4—5月日平均最低温度，通过线性倾向分析，找出这一时期最低温度出现的时段及频率，分析志丹县苹果花期冻害可能影响的时段和最低温度范围。

（2）根据陕西省富士系苹果花期霜冻灾害气象指标（表1），分析出陕西省苹果花期冻害风险区划指标（表2），再计算各个观测站点的灾损系数，然后对灾损系数进行标准化处理。

表1 陕西省富士系苹果花期霜冻指标修订结果Tab.1 Revision results of frost index at flowering stage of Fuji apple in Shaanxi Province

表2 陕西省苹果花期冻害气候风险区划指标Tab.2 Climatic risk zoning index of frost damage in apple flowering period in Shaanxi Province

（3）随机森林是一种以决策树为基本学习器构建的集成算法，其利用 bagging 的思想集成很多决策树来提升模型精度。具有运算量小、容纳样本数量大等优点，对非线性数据有更好的拟合效果，减少了均方根误差、提高了模型的预估精度。在建立灾损系数与地理因子（海拔高度、经度、纬度）的随机森林回归模型时，训练样本的比例为70%，袋外样本比例为30%，树的数量为100。在地理信息数据支持下，利用建立的回归模型进行苹果花期冻害气候风险区划指标的空间小网格插值计算，实现苹果花期冻害气候风险区划指标的空间小网格化插值推算，建立志丹县苹果花期冻害气候风险评价栅格数据层。

（4）自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化，是进行数据分类最常用的方法之一。按照自然断点法将计算出的志丹县灾损系数图划分为苹果花期冻害轻风险区、中风险区和重风险区。结合苹果园栅格数据与灾损数据，分析不同风险等级影响下的果园面积与分布。

概念性知识是生物学教学的重要内容，张树虎等人依据生物学概念存在的形态将生物学概念分为直接概念、描述型概念、创设型概念。其中，创设型概念是指事实存在的生命现象，但无法将其对应到实质的知觉上，必须依靠想象后才能知道，例如基因、有氧呼吸、进化等。从某种程度上说，学习生物学科知识的重点，就是理解概念及由概念构成的知识系统，学生只有准确、清晰、有层次地理解和掌握了生物学“创设型”概念，才能更好地学会生物学，这也是提高学习能力和解决生物学问题的逻辑基础。下面从概念表征的角度探究学生的“创设型”生物学概念的表征现状，为构建“创设型”生物学概念的教学提供参考。

2 结果与分析

2.1 志丹县国家气象站最低温度出现规律

志丹县4 月上旬最低温度为-11 °C，出现在1962年4 月3 日；中旬最低温度为-7.5 °C，出现在1962 年4 月13 日；下旬最低温度为-6.9 °C，出现在2020 年4月24 日；5 月上旬最低温度为-4.7 °C，出现在1971年5 月6 日；中旬最低温度为-4.3 °C，出现在1972 年5 月15 日；下旬最低温度都在0 °C 以上。

志丹县1960—2022 年4—5 月日最低温度平均值分布如图1 所示。在4 月11—17 日、4 月24—26 日和5月13—15 日温度处于低谷期，从气候角度分析，这3个时段易受低温天气影响，通过统计出现频次发现，4月11—17 日出现的频率为4.21 次/10 年。

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

对2018 年以来出现的花期冻害天气进行调查，志丹县苹果始花期最早出现在4 月中旬，出现苹果花期冻害时，志丹县国家气象站记录温度均＜-4 °C，统计分析出1960—2022 年志丹县4 月中旬之后最低温度为-7.5 °C，因此把志丹县国家气象站观测温度-8～-4 °C做为冻害分析指标。从年际变化来看（图2），志丹县苹果花期冻害平均1.96 年有1 次冻害过程。20 世纪60、70 年代和21 世纪00、10 年代苹果花期极端最低温度低，冻害影响重，而20 世纪80、90 年代苹果花期极端最低温度高，冻害影响轻。

图2 志丹县1960—2022 年4—5 月最低温度变化Fig.2 Minimum temperature change from April to May in 1960-2022 in Zhidan County

2.2 志丹县果园气象站低温分布特征

按照志丹县国家气象站观测温度-8～-4 °C 做为冻害分析指标，对2021 年10 月、2022 年3—5 月温度进行分析，共出现16 d 温度符合要求，利用这16 d 温度开展苹果花期冻害风险区划。

由表3 可知，志丹县区域天气站中日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的2%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的25%，＜-4 °C 的日数占总日数的66%。

表3 志丹县区域天气站、志丹县果园气象站16 d 内海拔高度与低温冻害情况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

志丹县海拔高度1 200～1 300 m 的果园气象站，日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的23%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的56%，＜-4 °C 的日数占总日数的13%；海拔高度1 301～1 400 m 的果园气象站，日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的38%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的40%，＜-4 °C 的日数占总日数的9%；海拔高度1 401～1 500 m 的果园气象站，日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的23%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的21%，＜-4 °C 的日数占总日数的6%；海拔高度1 501～1 600 m 的果园气象站，日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的30%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的5%，无＜-4 °C 的日数；海拔高度1 601～1 700 m 的果园气象站，日最低温度在-2～0 °C 的日数占总日数的18%，-4.0～-2.1 °C 的日数占总日数的6%，无＜-4 °C 的日数。随着海拔的升高，灾损系数逐渐减小，因此可得出日最低温度随海拔高度的升高而升高。

2.3 志丹县苹果花期冻害风险区划

按照温度计算志丹县各个站点的灾损系数，对灾损系数进行标准化处理后，与海拔、经纬度进行随机森林回归。图3 为对计算的灾损系数与推算的模拟系数形成的散点图，其相关系数为0.939 2，通过0.001 的显著性检验，说明利用网格化推算的志丹县灾损系数进行风险区划是可行的。

图3 志丹县苹果低温冻害风险系数误差Fig.3 Apple low temperature freezing injury risk coefficient error in Zhidan County

图4 为按照自然断点法形成志丹县高精度苹果花期冻害风险区划图，将志丹县苹果花期冻害风险区划划分为轻风险区、中风险区、重风险区。

图4 志丹县苹果花期冻害风险区划Fig.4 Risk zoning map of apple flowering freezing injury in Zhidan County

2.4 志丹县苹果花期冻害风险等级评估

根据志丹县苹果花期冻害风险区划，结合苹果园栅格数据与风险区划结果，分析不同风险等级影响下的果园面积与分布，结果表明，志丹县7.5%果园处于重风险区、25.3%果园为中风险区及67.2%果园为轻风险区（图5）。

图5 志丹县果园花期冻害风险等级分布Fig.5 Distribution map of frost damage risk grade of orchard flowering in Zhidan County

3 结束语

志丹县苹果花期冻害天气平均1.96 年出现1 次。20 世纪60、70 年代和21 世纪00、10 年代苹果花期极端最低温度低，冻害影响重，而20 世纪80、90 年代苹果花期极端最低温度高，冻害影响轻。

志丹县苹果花期冻害天气出现时间在4 月11 日—5 月15 日，主要受冻时段为4 月11—17 日，出现的频率为4.21 次/10 年。

志丹县日最低温度随着海拔升高而升高。根据样本数据统计，当海拔高度≥1 430 m 时，多数站点温度≥-4 °C，重度灾损系数为0；当海拔高度≥1 530 m 时，有50%以上的站点温度≥-2 °C，没有出现中度灾损温度。

风险区划表明，河谷地由于冷空气堆积，温度低，冻害风险较高，不适宜种植苹果；当海拔高度1 200～1 430 m，温度变化剧烈，重、中、轻风险区并存；海拔高度在1 430 m 以上，冻害风险较轻。

风险评估结果表明，志丹县7.5%果园处于重风险区、25.3%果园为中风险区及67.2%果园为轻风险区。建议对重风险区果园进行种植结构调整，中风险区果园要加强冻害防御工作。

在进行风险区划时，由于志丹县果园气象站建站时间短、温度数据少，对区划结果可能有影响。另外，由于志丹县地形复杂，温度差异大，小网格推算方法在山体中部的误差还较大，今后应根据温度数据的增多继续开展风险区划研究。