基于GIS的沟壑区苹果花期冻害评估技术.pdf
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1、引用本文格式白燕荣,孙智辉,刘志超,等基于 GIS 的沟壑区苹果花期冻害评估技术 J农业工程,2023,13(8):68-73 DOI:10.19998/ki.2095-1795.2023.08.012 BAI Yanrong,SUN Zhihui,LIU Zhichao,et al GIS-based evaluation technology of freezing injury at flowering stage of apple in gullyregionJAgricultural Engineering,2023,13(8):68-73基于 GIS 的沟壑区苹果花期冻害评估技术白
2、燕荣,孙智辉,刘志超,曹雪梅,雷延鹏(延安市气象局,陕西 延安 716000)摘要:利用 2022 年 5 月 1 日陕西省志丹县 38 个最低温度观测数据,结合志丹县高程数据、苹果种植数据,开展志丹县最低温度插值方法和温度对果树影响的分析研究。结果表明,志丹县分别有 3.5%、2.1%和 11.7%的苹果种植在陡坡、低洼处和面向北的不适宜栽植区域,应进行种植调整;5 月 1 日最低温度表现为河谷最低,随着海拔升高温度也在升高的特征。随机森林加一元线性回归进行温度插值可将拟合误差降到 1 C 左右,空间插值精度达到 30 m,对河谷和山顶果园温度模拟结果较好,半山坡的温度模拟略差;温度空间分布
3、与苹果种植数据相结合,发现 2022 年约有 3.2%的苹果园受到低温的重度影响,能精准指出苹果受温度影响的地块位置、面积大小及影响程度,对冻害预警、影响评估和灾后补救有科学指导意义。关键词:沟壑区;苹果冻害;评估技术;GIS中图分类号:S162文献标识码:A文章编号:2095-1795(2023)08-0068-06DOI:10.19998/ki.2095-1795.2023.08.012GIS-based Evaluation Technology of Freezing Injury at Flowering Stage ofApple in Gully RegionBAI Yanron
4、g,SUN Zhihui,LIU Zhichao,CAO Xuemei,LEI Yanpeng(Yanan Meteorological Bureau,Yanan Shaanxi 716000,China)Abstract:Based on 38 minimum temperature observation data in Zhidan County on May 1,2022,combined with DEM and appleplanting data of Zhidan County,interpolation method of minimum temperature in Zhi
5、dan County and influence of temperature on appleswere analyzed and studiedConclusions showed that,in Zhidan County,3.5%,2.1%and 11.7%of apples were planted in steep slope,low lying area and north facing unsuitable planting area,which should be adjustedThe minimum temperature on May 1 was the lowesti
6、n the river valley,and temperature increased with increase of altitudeRandom forest combined with unitary linear regression could re-duce fitting error to about 1 C,and spatial interpolation accuracy reached 30 mSimulation results of valley temperature were good,but simulation results of mid-slope t
7、emperature were poorCombining spatial distribution of temperature with apple planting data,it wasfound that about 3.2%of apple orchards were severely affected by low temperature in 2022,which could accurately indicate location,area size and impact degree of apple plots affected by temperature,and ha
8、s scientific guiding significance for freezing damage warning,impact assessment and post-disaster recoveryKeywords:gully region,frost damage of apples,assessment techniques,GIS 0引言我国苹果种植面积和产量均居世界首位,是重要的经济林果1。而随着气候变化,苹果适宜种植区北移西扩,适宜区主要位于黄土高原大部分地区和环渤海地区,黄土高原南部由适宜种植区转变为次适宜种植区,黄土高原北部及陕甘交界处由次适宜种植区转变为适宜种植区
9、2。在气候变化背景下,不仅苹果种植区域发生了变化,苹果物候也有了明显提前3-5。近25 年来,黄土高原苹果主产地气候呈暖湿变化特征,春季物候期呈提前趋势,影响时段内平均温度每升高1 C,春季各物候期将提前 2.204.15 d。气候变化背 收稿日期:2023-02-23修回日期:2023-06-08基金项目:陕西省科技计划项目(2022NY-221)作者简介:白燕荣,硕士,工程师,主要从事气象服务研究E-mail:孙智辉,通信作者,研究员级高级工程师,主要从事遥感与应用气象研究E-mail:第 13 卷 第 8 期农业工程Vol.13No.82023 年 8 月AGRICULTURAL ENG
10、INEERINGAug.2023景下,春季温度变化剧烈、花期明显提前,极端天气频发,造成花期冻害加剧6。针对花期预报、冻害指标、风险区划及冻害预防进行了许多研究与试验7-14。在气候变化和政府政策推动下,黄土高原腹地的陕西省苹果种植也向西和向北发展,形成了全国最大的陕北山地苹果集中连片种植区域,面积 26.67 万 hm2 15。在山地苹果生产中,主要面临着花期冻害、干旱、冰雹和冬季越冬冻害等气象灾害,特别是花期冻害的影响尤为严重,出现了 2010、2013、2015、2018 和 2020年大范围冻害天气和 2021 年局部冻害天气,影响了苹果产业发展16-17。在陕北山地苹果气象服务过程中
11、,由于气象站多位于河谷川道,而苹果园多建于半山坡以上,受沟壑地形影响,夜间最低温度有明显差异,幅度122 C,对苹果冻害天气预警、预防有较大影响18-19。为了解决花期冻害天气的气象服务,志丹县2021 年在山顶果园建设了多个微型气象站,用以观测果园温度、风、气压和降水等气象要素,为开展山地果园气象科研和服务提供了第一手数据。GIS 技术在果园提取、空间温度分布上得到了较多应用20-21。本研究利用志丹县气象观测站、气象区域天气站和果园气象站数据,分析基于 GIS 环境下的温度分布和花期冻害评估技术,对提升山地苹果气象服务技术和苹果产业发展具有重大意义。1资料与方法 1.1研究区概况志丹县位于
12、陕西省北部黄土高原丘陵沟壑区,地理 位 置 为 东经 10811 56 1093 48,北 纬362123371147。志丹县区域面积 3 790 km2,海拔高度 1 0931 741 m。志丹县常住人口 15.51 万人,其中农业人口 6.377 万人。志丹县属温带大陆性季风气候区,四季变化明显,但分配不均,冬季长达 189 d,夏季只有 9 d。20012020 年平均日照时数 2 332 h,年平均温度 8.9 C,年均降水量 523 mm,年均无霜期160 d22。志丹县苹果栽培从 20 世纪 70 年代开始,到 80 年代,全县苹果面积发展到 2 000 hm2,90 年代后,因农
13、业产业结构调整、石油工业兴起,苹果面积逐年下降。2007 年,苹果产业被确立为志丹县的主导产业;2019 年,全县苹果园面积达到 2 万 hm2,挂果园面积达到 8 300 hm2,总产量 9 万 t,实现产值达 4.3 亿元。1.2资料来源气象数据由志丹县气象站提供。苹果遥感种植分布图及数据由陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心提供,具体由武汉珈和科技有限公司利用 2020 年哨兵卫星资料进行苹果分类识别,遥感识别志丹县苹果种植面积 1.97 万 hm2,与统计面积非常接近。1.3方法利用 ARCMAP 中栅格计算器 CON 函数得到志丹县不同海拔、不同坡度和不同坡向苹果种植分布图、温度对苹
14、果园影响图;利用 Spatial Analyst 工具计算苹果种植面积数据。温度空间插值有许多方法,但 ARCMAP 提供的常规插值方法,包括反距离权重(IDW)、规则样条函数(SPLINE)、普通克里金(OK)及趋势面(TREND)空间插值很难反映复杂地形下夜间最低温度的分布状况21-22。在最低温度的插值中,利用 38 个地面气象观测站获取的最低温度数据与对应的观测站海拔高度、经纬度进行随机森林回归分析,得到志丹栅格温度数据。再对温度实测值与随机森林回归计算值进行一元线性回归分析,利用一元线性方程对栅格温度数据进行订正,得到最终的温度空间插值图。1.3.1随机森林回归随机森林是 2001
15、年由 LeoBreiman 和 Culter Adele开发的一种数据挖掘方法,与人工神经网络、支持向量机等机器学习方法相比,随机森林算法具有运算量小、容纳样本数量大等优点。随机森林算法对非线性数据有着更好的拟合效果,减少了均方根误差、提高了模型的预估精度23-25。利用 DPS 数据处理系统提供的随机森林回归算法,建立回归模型,输出数据26。根据前期试验研究,建立志丹县温度与海拔、经纬度的随机森林回归模型时,训练样本为总样本数的70%,袋外样本为 30%。决策树的数目设置为 100。1.3.2一元线性回归一元线性回归方程反映一个因变量与一个自变量之间的线性关系。在 Excel 中将大量数据绘
16、制成散点图,进行线性倾向估计得到回归直线,使各散点到这条直线的纵向距离之和最小。2数据分析 2.1苹果种植地形分析 2.1.1不同海拔高度苹果种植情况志丹县不同海拔高度苹果园分布如图 1 所示。志丹县不同海拔高度苹果种植面积如图 2 所示。志丹县苹果种植在海拔 1 0991 710 m,高差达到 611 m,其中 1 4011 500 m 苹果种植面积最大,占比 35.3%,1 501 1 600 m 苹 果 种 植 面 积 占 比 25.2%,1 3011 400 m 苹果种植面积占比 22.8%。海拔高度1 200 m苹果种植面积比例 2.1%,1 600 m 种植比例 5.2%。根据调查
17、,在低海拔的山体下坡位近川背湾、槽谷地果园小气候阴湿、寒冷,果树萌芽迟,春梢生长 白燕荣等:基于 GIS 的沟壑区苹果花期冻害评估技术 69 慢,秋梢生长旺,不易成花,容易发生抽条、冻花、果实“霜环”及着色不良等问题,不适宜栽植果树28。海拔高度1 200 m 苹果种植园应适当调整。2.1.2不同坡度苹果种植情况志丹县不同坡度苹果种植面积累计占比如图 3 所示,苹果主要分布在坡度18的山坡上。其中,苹果种植累计种植占比坡度=0 为 26.4%、坡度6为 41.1%、坡度15为 67.4%及坡度18为 96.5%。志丹县苹果园面积占比有 32.6%种植在坡度15的山坡上,其中还有 3.5%种植在
18、坡度18的山坡上,由于坡陡,夏季降水不易保存,容易受到干旱影响,应进行适当地改造,在树体周围修反坡梯田或挖大型鱼鳞坑,以有效保蓄降水,解决缺水干旱问题。2.1.3不同坡向苹果种植情况将 360坡向按照北、东北、东、东南、南、西南、西和西北 8 个方位进行分类,然后统计不同方位苹果种植面积及占比,如图 4 所示。可以看出,在各个朝向都有苹果种植,但面向东南、西南和南方向的苹果种植面积占比达到 50%以上,面向东方向苹果种植面积占比也达到 16.8%。在苹果种植地块中,面向西北、北向方向苹果种植面积占比也较大,合计达到了 11.7%,与苹果园栽植地块选择背风向阳的原则相违背,容易受到冻害影响。图
19、4志丹县不同坡向苹果种植面积占比Fig.4 Proportion of apple planting area on different slopes inZhidan County 2.2温度分析2022 年 5 月 1 日出现了春季苹果花期最低温度,志丹县最低温度5.66.4 C,据调查,个别地方出现苹果花期冻害。2.2.1温度数值分析5 月 1 日志丹县是冷空气过后的冷高压控制,夜间天气晴好,地表辐射降温强烈,河谷由于冷空气下沉堆积,最低温度明显低于山顶。河谷最低温度5.62.0 C,平均3.7 C,而果园温度3.36.4 C,平均1.8 C。分析发现有 8 个果园温度观测数据0 C,1
20、9个果园温度观测数据0 C。分析温度与海拔、经纬度的相关系数,海拔与温度的相关系数0.771 8,而与经纬度相关系数很小说明海拔越高温度越高。2.2.2温度插值分析通过随机森林回归计算,5 月 1 日志丹县样本数均方误差 5.7 C,平均误差 1.9 C。图 1志丹县不同海拔高度苹果园分布Fig.1 Distribution of apple orchard at different altitudes inZhidan County 图 2志丹县不同海拔高度苹果种植面积Fig.2 Apple planting area at different altitudes in Zhidan Cou
21、nty 图 3志丹县不同坡度苹果种植面积累计占比Fig.3 Cumulative percentage of apple planting area on differentslopes in Zhidan County 70 农业工程生物环境与能源 由图 5 可知,模拟温度在低温和高温站点拟合情况较好,但在中间温度模拟结果略差。线性回归方程的相关系数 0.864 3,为极显著相关。图 55 月 1 日模拟温度与实测温度对比Fig.5 Comparison of simulated temperature and measuredtemperature on May 1st 对 2022 年
22、5 月 1 日最低温度数据经随机森林回归计算得到志丹县最低温度,模拟出的最低温度3.8 C,最高温度 2.7 C,与实际相差较大;利用 ARCGIS 中栅格计算器,对 5 月 1 日最低温度栅格图进行一元回归方程计算,得出订正后的温度分布数据,如图 6 所示。5 月 1 日,计算的最低温度5.7 C,最高温度 4.6 C,最低温度计算值与实测值非常接近;但最高温度计算值与实测值差别较大,实测最高温度 6.4 C,计算最高温度 4.6 C,相差 1.8 C;订正后误差平均由 1.9 C 下降到 1 C。进一步分析,河谷温度计算误差 0.6 C,效果最好;果园温度计算结果较差的是陈山、麻湾、贺老庄
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