基于GIS的天水花牛苹果花期冻害风险分析与区划

陈春叶   陈仲军

（甘肃林业职业技术学院  741020）

摘要:根据天水2008-2018年常规气象资料和花牛苹果树生育期观测数据，分析天水花牛苹果花期冻害时空分布规律，提出了花牛苹果花期冻害致灾指标，并对种植区的灾害风险程度利用GIS进行区划，以便及时釆取趋利避害的有效措施，提高花牛苹果产量和质量，促进天水经济的发展。

关键词： GIS，花牛苹果始花期，冻害风险；分析与区划

Analysis and Regionalization of Apple Flowering Cold Injury Risk Based on GIS in Tianshui

Chunye Chen    Zhongjun Chen

(Gansu Forestry Vocational and Technical College 741020)

Abstract: Based on the meteorological data of Tianshui from 2008 to 2018 and the observation data of apple tree growth period, the temporal and spatial distribution regularity of freezing injury during flowering period of apple in Tianshui was analyzed, and the hazard index of freezing injury during flowering period of Apple was put forward by GIS, and the hazard risk degree of planting area was regionalized so as to take effective measures to seek benefits and avoid hazards in time, and to increase apple yield and yield. Quality, promote the development of Tianshui economy.

Key words: GIS, Apple blooming date, risk of frost damage; analysis and regionalization

天水“花牛苹果”，是甘肃省天水市秦州区、麦积区、清水县、甘谷县、秦安县 等地区特产，为中国国家地理标志产品。花牛苹果色、香、味俱佳。其产品肉质细，致密，松脆，汁液多，香气浓郁，口感好，风味独特。被许多中外专家和消费者认可的与美国蛇果、日本富士相媲美的世界三大著名苹果品牌名果。天水花牛苹果经过40年的发展，种植面积不断扩大，品种不断更新。目前全市共栽植花牛苹果40万亩，产量3亿多公斤。但在全球气候变化的大背景下，我国主要苹果产区冬季及早春增暖趋势越来越明显，暖冬、暖春年份增多，且年际间气温波动幅度增大，果树物候期提前，导致果树抗寒能力下降。据2008～2018年

统计，天水在春季气温回升加快的同时，就出现6次大幅降温过程，致使果树遭受晚霜冻害，花蕊发黑，果树叶面皱缩，花牛苹果花序受冻率81%，花朵受冻率45%，坐果率严重下降，减产30%～70%，因此研究晚霜冻对天水花牛苹果的危害区划和综合防御技术，对天水花牛苹果的安全生产，提高苹果产量和质量，促进天水经济的发展具有重要的现实意义。

随着农业不断向集约化、现代化和数字化方向发展，随之产生了大量与地理信息有关的空间数据，面对近年来花牛苹果花期冻害发生频率和强度均有明显增加趋势的现状，广大科技工作者、果业管理部门和果农已对花牛苹果花期冻害给予了高度关注，因此有必要对环境气象条件与花牛苹果开花期的关系进行相关研究，同时结合具有强大的空间分析能力地理信息系统（GIS），可使海量的数据信息化，节约人力物力，提高分析精度和效率，建立气候资源的空间模型，再进行模型的运算，然后根据综合分析的结果进行花牛苹果花期冻害气候区划，使区划结果图像直观。并能够准确预报开花时间，预测可能发生的花期冻害情况，减轻或避免低温冻害对果树开花期造成的负面影响、提高水果产量和质量，对实现天水乃至全国花牛苹果产业的高产优质发展具有重要意义。

1 材料与研究方法

1.1 数据资料

花牛苹果产量资料取自天水市统计年鉴2008～2018年；相关气象资料取自天水市武山、甘谷、秦安、清水、张家川五县和秦州、麦积两区气象站2008～2018年气象观测资料。天水地处黄土高原与西秦岭山地半湿润半干旱气候交替、农林复合的过渡区域，果品栽培区海拔1000 ～1700m，无霜期 150～230 天，≥10℃的有效积温 2200～3500℃，昼夜温差在 10～15℃，4～9 月日照时数 1286 小时，非常有利于花牛苹果糖份的积累，成为全国花牛苹果优势产区。天水市现有花牛苹果面积约 7.95万hm ² ，总产量约 60.8万t，但由于境内地形地貌结构复杂，区域性小气候特征明显，春季晚霜冻冻害发生频率极高，对正处开花坐果期的花牛苹果影响极大。据统计在天水花牛苹果花芽萌动 － 开花挂果物候期的 2008年4月～2018 年5月，共发生晚霜冻灾害 6年，发生频率 60%，均出现在花芽开放～幼果期的 4 月 9 日(2008年) ～4月7日(2018年)，果树年平均受害率 65%，鲜果减产率约50% 左右，成为影响当地花牛苹果产业发展的主要农业气象灾害，极大地限制了花牛苹果产业化发展。

1.2 研究方法

1.2.1天水花牛苹果花期冻害过程特点分析  

    天水各县(区)花牛苹果开花坐果期一般在 4 月上旬至春末 5 月上旬，其影响最大的霜冻灾害气象因子主要是 ＜0℃日最低气温、地温和相应持续时间以及与环境相对湿度、风速的相互配置影响。近几年来花牛苹果花期遭遇冻害的情况时有报道：花牛苹果花芽受冻害的临界低温为：-4℃左右，花蕾期为–2～–4℃，花期为-2℃，在-2～0℃出现低温冻害，中心花受冻率达30%左右；温度为–2～–4℃时，中心花受冻率为50% ，出现明显低温冻害；温度低于-4℃，出现严重低温冻害，中心花受冻率高达75%，对产量、品质、商品率产生严重影响。

经过对2008年—2018年造成历史花牛苹果花期冻害的持续天数、花期冻害发生的气象条件、造成的危害程度等进行纵向比较，以期探求天水花牛苹果花期冻害成灾规模、特点等与气象条件的关系如下表1：

   所以，花期冻害是危害花牛苹果产量和品质的主要气象灾害，低温、霜冻天气在花牛苹果树开花或子房形成时期到来，会给天水的花牛苹果产量造成严重损失，根据天水气候特点，提出花牛苹果花期冻害致灾指标，以此为基础研究其发生规律及分布情况显得尤为重要。

1.2.2气候变化趋势估计—重标极差法(R/S分析)

    重标极差法是基于分形理论的非线性时间序列分析方法，最早是由英国科学家Hurst在总结尼罗河多年水文数据资料时提出的(Hurst 1951年），后经Mandelbort和Wallis进一步补充完善(Mandelbrot Wallis 1969年），能有效的预测未来气候变化趋势。

    考虑比值R（τ）/S（τ）= R/S，若存在以下关系: R/S∝τ^H, 则说明所分析的时间序列存在Hurst现象，H称为Hurst指数。H值即(Inτ,1nR/S ) 双对数坐标系中用最小二乘法拟合所得直线的斜率，可揭示时间序列的趋势性成分。根据H值(0<H<1)的大小来判断趋势性强弱，存在以下几种情况：

    表明各气象要素之间完全独立，相互没有依赖，气候变化是随机的；

（1）H=0.5，表明所分析的时间序列具有持续性。反应在气候要素上，即未来的气候总体变化与过去的变化趋势一致，且值越接近于，持续性越强；

（2）0.5＜H＜1，表明所分析的时间序列具有反持续性。即气候要素将来的总体趋势与过去相反，值越接近于，反持续性越强。

（3）0＜H＜0.5，表明各气象要素之间完全独立，相互没有依赖，气候变化是随机的；

R/S分析法是自仿射分形衍生出来的时间序列分析方法，本身具有坚实的理论基础和良好的使用价值。采用R/S法分析非线性具有统计特性的数据系统，可以很好地揭示其变化过程的内在规律性，并可对其分形特征进行定量描述。R/S分析法对天水花牛苹果主产区的典型代表县市的4～5月平均气温变化趋势进行分析和预估，结果表明气温变化幅度、突变时间和未来变化趋势存在显著的地域性和季节性差异。天水花牛苹果开花坐果期一般在 4 月上旬至春末 5 月上旬，其影响最大的霜冻灾害气象因子主要是 ＜ 0℃日最低气温、地温和相应持续时间，该期降温速度越快，低温持续时间长，霜冻灾害越重，对产量的影响也就越大，该气象因子基本能够反映春季晚霜冻害的天水花牛苹果生产影响的气象机理，将该因子作为该期霜冻灾害的主要风险因子具有显著的生物学意义。

2.结果与分析

2.1花牛苹果花期冻害时空分布规律结果分析  

将天水各县( 区) 花牛苹果花期冻害的年际变化趋势用R/S分析法计算分析，花牛苹果花期冻害发生频率越高，代表冻害发生可能性越大，其危险性越大。各县( 区) 2008年－2018年花牛苹果开花坐果期 4 月上旬－5 月上旬不同强度霜冻灾害发生频率及风险系数如表2所示：

表2  天水各县( 区) 花牛苹果花期冻害发生频率及风险系数

    花牛苹果花期冻害过程中，花序或花朵受冻率并不能直接指示当年产量损失率，仅可以作为灾损率预估指标。主要原因是一个花序上的花牛苹果花开放时间并非同时，一般情况下一次中等强度的降温天气过程，只能影响到一个花序上的部分花朵，中心花受损后将可能由开放较晚、受影响较小或未受影响的边花完成坐果，但据观察边花坐果成熟后的果实，部分果实偏小，果形一般不正，多偏果，对当年果品产量和质量有影响。做出天水花牛苹果霜冻发生频率及风险系数灾害分析，对科学布局当地果树产业和提高经济效益具有显著的指导意义。

2.2花牛苹果花期冻害风险区划

2.2.1基础地理信息数据编辑与处理

在地理信息系统ArcGIS10.0平台上，对天水高程点、高程和行政边界等矢量数据进行添加，利用Arcmap的3D Analyst扩展模块生成TIN，然后由TIN转化为数字高程模型(DEM)网格大小为200×200。利用DEM提取200×200网格上的经度、纬度和海拔高度等地理信息数据，代入各冻害指标空间分析模型，推算出冻害指标因子在200×200网格上的分布；再利用重标极差法将天水地区7个气象台站的重标极差H值内插，生成200×200残差栅格图，将该图与前面的冻害指标分布图进行叠加，得到各冻害指标的空间分布情况，依据各冻害因子的权重，釆用线性加权求和法将各指标的栅格图进行叠加，得到天水地区花牛苹果花期冻害综合区划如图2示。

                图2   花牛苹果花期冻害综合区划图

    此研究是建立在气象和统计学基础上，风险区划过程将影响天水花牛苹果相对气象总产量的开花坐果期 4 月上旬 －5 月上旬, 做出天水花牛苹果霜冻灾害风险区划，对科学布局当地果树产业和提高经济效益具有显著的指导意义。

2.2.2天水花牛苹果花期冻害气候风险区划

灾害风险指数值越高，花牛苹果花期冻害发生的可能性越大，灾害越严重。将天水各县( 区) 的花牛苹果花期冻害风险由高到低5个等级，分别表示低风险、较低风险、中风险、较高风险和高风险区域。

2.2.2.1高风险区域：主要分布于张家川县张棉、平安、马鹿；秦安县王铺；甘谷县大庄；清水县黄门东北部等乡镇海拔1800 m以上高山凉山区，那里春季气温低，果树花果期晚霜冻发生频率高达60%以上。

2.2.2.2较高风险区域：该区主要分布在清水县白驼、黄门、白沙；张家川县连五、马关；甘谷县八里湾；武山的滩歌、杨河；秦州区华岐、平南等乡镇1700一1800m以上中高海拔区域。春季果树花果期霜冻发生频率在55一60%之间，低温对果树开花坐果影响极大。

2.2.2.3中风险区域：该区主要分布在清水的红堡；武山县高楼、马力；甘谷县礼辛、大石；秦安县中山、魏店、云山；麦积区党川、曲溪；秦州区牡丹、杨家寺、汪川等乡镇海拔1600一1700m的半山区域。春季果树花果期霜冻发生频率较高为48一54 %，气温波动较大，低温对果树开花坐果有较大影响。

2.2.2.4较低风险区域：该区主要分布在清水县陇东、丰望；武山县洛门；甘谷县白家湾、武家河；秦安县千户；秦州区太京、关子、中梁；麦积区仙人崖、麦积山、利桥等乡镇1400～1600 m中、低海拔区域，春季果树花果期霜冻发生频率较低为45～48 %，低温对果树开花坐果有一定影响。

 2.2.2.5低风险区域：该区主要分布在甘谷县六峰、磐安；秦安县兴国；麦积区中滩、甘泉、元龙、伯阳、东岔；秦州区玉泉、皂角等乡镇海拔1400 m以下河谷川区地带。果树花果期霜冻发生频率最低为38 ～43%，光照充足，降雨适中，气候温和，四季分明，非常有利于果品糖分的积累。

    分析判断气候变暖的趋势和影响，探索研究适应气候变化的有效措施，对农业的可持续性发展具有现实意义。进行天水花牛苹果花期冻害风险区划，为当地农业分析预测和预防等提供服务，对当地果业实现优质高产的发展有着积极、深远的影响。

3.讨论与结论

    花牛苹果花期冻害的发生，除了与降温天气过程有关外，同时受树体本身的强弱、果花抗逆性、花期时间早晚的影响，以及品种类型、地理地形结构及地貌特征、土壤质地、其它气象条件等方面的制约也极为重要，实际应用中可综合各种影响因素综合考虑， 将天水花牛苹果主产区花牛苹果花期冻害风险区划为轻度冻害区，偏轻度冻害区，中度冻害区，偏重度冻害区，重度冻害区，所得的区划结果细致精确，符合天水花牛苹果花期冻害实际分布；利用制作的细网格花牛苹果花期冻害风险区划图，能够直观地反映出冻害指标随地理位置和海拔高度的变化特征；为花牛苹果生产的合理布局和趋利避害管理提供科学依据；有利于提醒各花牛苹果种植地关注花期冻害天气事件，提高防灾减灾意识，通过及时喷洒化学药剂、改变果园小气候等方法应对低温天气可能造成的冻害影响，避免因花期冻害造成的减产甚至绝产；应用精度高，实用性强，以期为天水花牛苹果产业防灾减灾体系建设，政策性农业保险在花牛苹果产业的深入开展，花牛苹果产业健康、可持续发展等提供参考依据，也为高新技术在花牛苹果花期冻害风险区划研究与服务方面提供了新的方法与途径。

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