延安市溝壑區(qū)櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)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(zé)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(wàn)km2。地勢(shì)西北高，東南低。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，全年氣候變化受制于季風(fēng)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(yáng)產(chǎn)業(yè)，在延安市已初具規(guī)模化發(fā)展。根據(jù)2020 年延安市統(tǒng)計(jì)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(shù)中成熟最早的果品，有著較好的銷售市場(chǎng)，但由于延安市地理環(huán)境特殊，低溫凍害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了櫻桃生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益的提高。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者對(duì)櫻桃進(jìn)行了研究，如張福興等[1]對(duì)我國(guó)甜櫻桃種植區(qū)劃進(jìn)行了研究，王瑩等[2]對(duì)遼寧省大櫻桃氣候品質(zhì)認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行研究，楊亞利等[3-4]對(duì)陜西省銅川市核桃花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和銅川市櫻桃生長(zhǎng)氣象條件進(jìn)行分析研究，都全勝等[5]對(duì)安塞山地櫻桃氣候區(qū)劃進(jìn)行研究。但在實(shí)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(dǎo)致減產(chǎn)或絕產(chǎn)，挫傷了農(nóng)民種植果樹(shù)的積極性。通過(guò)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(jìn)行冬季低溫凍害和春季花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，為后期擴(kuò)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(lái)源

資料通過(guò)陜西省氣象數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和延安市區(qū)域自動(dòng)站統(tǒng)一版數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)查詢系統(tǒng)獲得。選取延安市13 個(gè)國(guó)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(gè)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(cè)資料。延安市溫度觀測(cè)站點(diǎn)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(cè)站點(diǎn)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(zhǎng)

由于加密區(qū)域站獲取的溫度觀測(cè)資料時(shí)間較短，因此利用Excel 對(duì)13 個(gè)國(guó)家氣象站2008—2020 年的年極端最低氣溫和對(duì)應(yīng)加密區(qū)域站的年極端最低氣溫制作散點(diǎn)圖，進(jìn)行線性傾向分析，通過(guò)R2確定兩者之間的相關(guān)程度，通過(guò)一元線性回歸方程將加密區(qū)域站溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)延長(zhǎng)到1991 年，形成時(shí)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(gè)氣象站點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算器計(jì)算出延安市溫度分布圖，對(duì)實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度的殘差進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖制作

根據(jù)櫻桃冬季越冬凍害指標(biāo)和春季花期凍害指標(biāo)，在ARCGIS10.6 中對(duì)溫度分布圖進(jìn)行高、中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分，得到延安市櫻桃冬季、春季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。

2 低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

2.1 構(gòu)建年極端最低氣溫訂正模型

設(shè)x為國(guó)家氣象站的年極端最低氣溫，y為對(duì)應(yīng)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(diǎn)圖，并建立一元線性回歸方程。由于站點(diǎn)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(diǎn)圖和線性趨勢(shì)圖，由R2可以看出，國(guó)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(duì)溫度序列進(jìn)行延長(zhǎng)，數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。

圖2 志丹縣、富縣國(guó)家氣象站和加密區(qū)域站年極端最低氣溫?cái)M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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

2.2.1 冬季櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

櫻桃是喜溫不耐寒的樹(shù)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(guò)低的溫度易使土壤發(fā)生凍結(jié)，果樹(shù)不易吸收土壤水分，樹(shù)枝容易發(fā)生抽條現(xiàn)象，也會(huì)引起大枝縱裂和流膠，嚴(yán)重情況下則會(huì)造成樹(shù)木死亡的現(xiàn)象[9]。由此可見(jiàn)，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(guò)對(duì)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(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冬季極端最低溫度≥—20 °C 時(shí)不會(huì)出現(xiàn)凍害，極端最低溫度≤—23 °C 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)樹(shù)干凍裂、凍死現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果并結(jié)合陜西省櫻桃生長(zhǎng)適宜性分析中極端最低氣溫的劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立了延安市冬季櫻桃凍害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如表1 所示[10]。

表1 延安市冬季、春季櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

花期低溫凍害是春季（3—5 月）的主要?dú)庀鬄?zāi)害，此時(shí)正是延安市櫻桃樹(shù)的萌芽到開(kāi)花坐果期，低溫災(zāi)害容易造成櫻桃花期受凍減產(chǎn)，不易坐果，導(dǎo)致商品果率下降，危害較大。根據(jù)實(shí)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(xiàn)，建立了延安市春季櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如表1 所示[11-14]。

2.3 櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分

2.3.1 冬季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)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(guò)0.001 的可信度檢驗(yàn)。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(guò)顯著性檢驗(yàn)。

在ARCGIS10.6 中，利用多元線性回歸方程計(jì)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(xì)微特征，這個(gè)溫度特征與實(shí)際觀測(cè)相符，將使風(fēng)險(xiǎn)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(duì)冬季溫度回歸方程的溫度殘差進(jìn)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(dá)到79%，殘差在±1 °C 之間的占比達(dá)56%，殘差比較大的主要是南部塬區(qū)和山頂站溫度模擬過(guò)低，對(duì)吳起北部無(wú)定河流域高海拔區(qū)域和林區(qū)河谷站溫度模擬過(guò)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(biāo)進(jìn)行分區(qū)，得到最終的延安市櫻桃冬季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，如圖6 所示。

圖6 延安市櫻桃冬季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(guò)0.005 的可信度檢驗(yàn)，經(jīng)度、海拔相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.001 的可信度檢驗(yàn)。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(guò)顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)春季溫度回歸方程的溫度殘差進(jìn)行分析（圖略），殘差在±2 °C 之間的占比達(dá)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(fēng)險(xiǎn)有區(qū)劃圖，如圖7 所示。

圖7 延安市櫻桃春季花期凍害風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)與春季花期凍害風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)，延安市北部為高風(fēng)險(xiǎn)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(hù)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)

黃河沿岸一帶的延長(zhǎng)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(guò)程較弱，屬于櫻桃低溫凍害低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3.2 中風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)，梁峁較多，冬季低溫凍害和春季花期低溫凍害過(guò)程相對(duì)較弱，為櫻桃低溫凍害中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3.3 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

吳起縣、志丹縣，以及安塞區(qū)北部、子長(zhǎng)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(duì)較高，冬季極端最低氣溫較低，春季花期低溫凍害過(guò)程中降溫強(qiáng)度最大，為櫻桃低溫凍害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)建立一元線性回歸方程，利用長(zhǎng)序列國(guó)家氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)加密區(qū)域站溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正延長(zhǎng)，建立了延安市122 個(gè)觀測(cè)站30 年的溫度序列數(shù)據(jù)，為開(kāi)展櫻桃凍害災(zāi)害精細(xì)區(qū)劃提供了可靠數(shù)據(jù)。

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

（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(jìn)行空間插值，得到符合延安市地形特點(diǎn)的溝谷冷而山頂暖的最低溫度空間分布，利用風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)，得到延安市櫻桃冬季低溫凍害和春季花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。

（4）雖然在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃時(shí)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(cè)站少，導(dǎo)致多元回歸方程計(jì)算溫度誤差還比較大，影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。今后應(yīng)通過(guò)臨時(shí)增加觀測(cè)數(shù)量和采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法提高溫度插值精度，提供更加精細(xì)的櫻桃低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

（5）分析得出黃河沿線的延長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)；甘泉縣、富縣，以及寶塔區(qū)西部、延川縣中西部、子長(zhǎng)市南部、安塞區(qū)南部為櫻桃低溫凍害中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；吳起縣、志丹縣，以及安塞區(qū)北部、子長(zhǎng)市北部為低溫凍害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。