延安市沟壑区樱桃低温冻害风险区划研究

仇 莉，孙智辉，姜宗祖，师明芳，贺星焜

（1.延安市气象局，陕西 延安 716000；2.延安普化防雷有限责任公司，陕西 延安 716000；3.延安市宝塔区气象局，陕西 延安 716000；4.延安市延川县气象局，陕西 延安 717200）

0 引言

延安市位于陕西省北部，地处黄河中游，属黄土高原丘陵沟壑区，土地总面积3.7 万km2。地势西北高，东南低。属于暖温带半湿润易旱气候区，全年气候变化受制于季风环流影响，冬季冷，年平均气温8.2～10.8 °C，年极端最低气温—28.7～—22.5 °C。樱桃是朝阳产业，在延安市已初具规模化发展。根据2020 年延安市统计年鉴数据，延安市樱桃种植面积为204.2 hm2，挂果面积101.07 hm2，产量253 t，种植的品种有红灯、美早、萨米脱等。樱桃作为落叶果树中成熟最早的果品，有着较好的销售市场，但由于延安市地理环境特殊，低温冻害频发，严重制约了樱桃生产及经济效益的提高。

近年来，国内很多专家学者对樱桃进行了研究，如张福兴等[1]对我国甜樱桃种植区划进行了研究，王莹等[2]对辽宁省大樱桃气候品质认证技术进行研究，杨亚利等[3-4]对陕西省铜川市核桃花期冻害风险区划和铜川市樱桃生长气象条件进行分析研究，都全胜等[5]对安塞山地樱桃气候区划进行研究。但在实践生产中，由于农民在种植地块的选择上存在盲目性，造成经常性出现冬季低温冻害和春季花期冻害，导致减产或绝产，挫伤了农民种植果树的积极性。通过分析延安市冬季、春季樱桃低温冻害的发生规律及影响，进行冬季低温冻害和春季花期冻害风险区划，为后期扩大樱桃种植规模、低温冻害防御等工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

资料通过陕西省气象数据共享系统和延安市区域自动站统一版数据应用平台查询系统获得。选取延安市13 个国家气象站1991—2020 年的年极端最低气温、每年4 月中旬—5 月中旬（春季花期）旬极端最低气温和109 个加密区域站2008—2020 年的年极端最低气温、2013—2020 年每年4 月中旬—5 月中旬的旬极端最低气温观测资料。延安市温度观测站点分布如图1 所示，延安市DEM 数据为1∶50 000。

图1 延安市温度观测站点分布Fig.1 Distribution of temperature observation stations in Yan'an City

1.2 研究方法

1.2.1 温度序列延长

由于加密区域站获取的温度观测资料时间较短，因此利用Excel 对13 个国家气象站2008—2020 年的年极端最低气温和对应加密区域站的年极端最低气温制作散点图，进行线性倾向分析，通过R2确定两者之间的相关程度，通过一元线性回归方程将加密区域站温度观测数据延长到1991 年，形成时间一致的温度序列数据[6]。

1.2.2 温度插值分析

挑取30 年各个气象站点的极端最低温度，利用DPS 数据处理系统建立延安市温度与气象站点海拔高度、经纬度的多元线性回归方程，在ARCGIS10.6 中利用栅格计算器计算出延安市温度分布图，对实测温度与计算温度的残差进行反权重距离（IDW）插值，得到残差分布图，将温度分布图与残差图相加，得到最终的冬季最低或春季温度分布图[6-8]。

1.2.3 风险区划图制作

根据樱桃冬季越冬冻害指标和春季花期冻害指标，在ARCGIS10.6 中对温度分布图进行高、中、低风险区划分，得到延安市樱桃冬季、春季低温冻害风险区划图。

2 低温冻害风险区划

2.1 构建年极端最低气温订正模型

设x为国家气象站的年极端最低气温，y为对应加密区域站的年极端最低气温，在Excel 中建立两者之间的散点图，并建立一元线性回归方程。由于站点较多，不做一一展示，图2 分别为延安北部的志丹气象站与张畔加密区域站、南部的富县气象站与安子头加密区域站制作的温度散点图和线性趋势图，由R2可以看出，国家气象站与加密区域站的年极端最低气温相关性很好，拟合度较高，利用这一方法对温度序列进行延长，数据比较准确。

图2 志丹县、富县国家气象站和加密区域站年极端最低气温拟合Fig.2 Fitting of annual extreme minimum temperature of national meteorological stations in Zhidan County，Fuxian County and encrypted regional stations

2.2 樱桃低温冻害风险指标

2.2.1 冬季樱桃低温冻害风险指标

樱桃是喜温不耐寒的树种。冬季（12 月—次年2 月）樱桃处于休眠期，最低温度不能低于—20 °C，过低的温度易使土壤发生冻结，果树不易吸收土壤水分，树枝容易发生抽条现象，也会引起大枝纵裂和流胶，严重情况下则会造成树木死亡的现象[9]。由此可见，冬季低温冻害是决定樱桃能否存活的关键气象条件。

通过对安塞区南沟、宋塔、方家河，甘泉县道镇，富县太安村樱桃种植园进行实地调查发现，当冬季极端最低温度≥—20 °C 时不会出现冻害，极端最低温度≤—23 °C 时，会出现树干冻裂、冻死现象。根据实地调查结果并结合陕西省樱桃生长适宜性分析中极端最低气温的划分标准，建立了延安市冬季樱桃冻害风险指标，如表1 所示[10]。

表1 延安市冬季、春季樱桃低温冻害风险指标Tab.1 Risk indicators of low temperature and freezing damage of cherries in Yan'an in winter and spring

2.2.2 春季樱桃低温冻害风险指标

花期低温冻害是春季（3—5 月）的主要气象灾害，此时正是延安市樱桃树的萌芽到开花坐果期，低温灾害容易造成樱桃花期受冻减产，不易坐果，导致商品果率下降，危害较大。根据实地调查，延安市樱桃花期到座果期在4 月中旬—5 月中旬。根据相关文献，建立了延安市春季樱桃低温冻害风险指标，如表1 所示[11-14]。

2.3 樱桃低温冻害风险区划分

2.3.1 冬季低温冻害风险区划

延安市冬季最低温度与经度、纬度、海拔高度的相关系数分别为0.605 8、—0.54、—0.391 5，均通过0.001 的可信度检验。建立最低温度与经纬度、海拔的多元线性回归方程

式中y—温度

x1—经度

x2—纬度

x3—海拔高度

方程相关系数R2＝0.764 8，F＝105.23，P＜0.000 1，通过显著性检验。

在ARCGIS10.6 中，利用多元线性回归方程计算出延安市冬季最低温度分布图，如图3 所示。延安市温度分布总体特征：一是延安市东部和南部温度高，西北部温度最低，并且温度随海拔高度的升高而降低；二是河谷温度低于相近的山顶温度，呈现出河谷冷而山体上部暖的细微特征，这个温度特征与实际观测相符，将使风险区划结果更为合理。

图3 延安市冬季最低温度分布Fig.3 Minimum temperature distribution map of Yan'an in winter

对冬季温度回归方程的温度残差进行分析，结果如图4 和图5 所示，残差主要分布±2 °C 之间，占比达到79%，残差在±1 °C 之间的占比达56%，残差比较大的主要是南部塬区和山顶站温度模拟过低，对吴起北部无定河流域高海拔区域和林区河谷站温度模拟过高，但所占比例较低。

图4 延安市冬季最低温度回归分析残差分析Fig.4 Residual analysis of regression analysis of minimum temperature in winter in Yan'an City

图5 延安市冬季最低温度回归分析残差IDW 插值Fig.5 IDW interpolation of regression analysis residual of minimum temperature in winter in Yan'an City

将回归分析温度图和残差温度分布图相加，再利用冻害指标进行分区，得到最终的延安市樱桃冬季低温冻害风险区划图，如图6 所示。

图6 延安市樱桃冬季低温冻害风险区划Fig.6 Zoning map of low temperature and freezing injury risk of cherries in Yan'an City in winter

2.3.2春季花期冻害风险区划

延安市春季最低温度与经度、纬度、海拔高度的相关系数分别为0.656 2、—0.203 5、—0.528 8，纬度与温度的相关系数略低，通过0.005 的可信度检验，经度、海拔相关系数通过0.001 的可信度检验。建立最低温度与经纬度、海拔的多元线性回归方程

式中 y—温度

x1—经度

x2—纬度

x3—海拔高度

方程相关系数R2＝0.659 8，F＝49.317 6，P＜0.000 1，通过显著性检验。

对春季温度回归方程的温度残差进行分析（图略），残差在±2 °C 之间的占比达到88%，残差在±1 °C 之间的比例为52%，春季的回归效果较好。同样，利用GIS 技术，得到春季樱桃花期冻害风险有区划图，如图7 所示。

图7 延安市樱桃春季花期冻害风险区划Fig.7 Zoning map of freezing damage risk of cherry spring flowering in Yan'an City

3 低温冻害风险区划分析

结合图6 和图7 可知，延安市樱桃冬季低温冻害风险区与春季花期冻害风险区的分布范围大致相同，延安市东部的黄河沿岸山地和延安市南部塬区为低风险区，延安市北部为高风险区。不同的是，延安市北部的山地樱桃越冬困难但春季花期冻害影响较轻，所以在做好冬季防护措施的情况下，也可发展山地樱桃；在延安市南部塬区的局部地区，越冬条件虽好，但春季花期冻害有影响。

3.1 低风险区

黄河沿岸一带的延长县、宜川县，以及延川县中东部、宝塔区东部，延安市南部的黄龙县、洛川县、黄陵县极端最低温度在—20 °C（—1.0 °C）以上，该区域地貌以黄土高原和平原为主，海拔较低，川塬区冬季低温冻害和春季花期低温冻害过程较弱，属于樱桃低温冻害低风险区。

3.2 中风险区

甘泉县、富县，以及宝塔区（东部除外）、延川县中西部、子长南部、安塞南部极端气温为—23 °C（—2.9 °C）～—20 °C（—1.1 °C），该区域大多属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，沟壑纵横、川道狭长，梁峁较多，冬季低温冻害和春季花期低温冻害过程相对较弱，为樱桃低温冻害中风险区。

3.3 高风险区

吴起县、志丹县，以及安塞区北部、子长市北部极端最低气温低于—23 °C（—3.0 °C），该区域属于黄土高原梁状丘陵沟壑区，海拔相对较高，冬季极端最低气温较低，春季花期低温冻害过程中降温强度最大，为樱桃低温冻害高风险区。

4 结论与讨论

（1）通过建立一元线性回归方程，利用长序列国家气象观测数据对加密区域站温度数据进行订正延长，建立了延安市122 个观测站30 年的温度序列数据，为开展樱桃冻害灾害精细区划提供了可靠数据。

（2）通过实地调查，结合文献，确定了延安市樱桃冬季低温冻害指标和春季花期冻害指标。

（3）建立温度与海拔、经纬度的多元线性回归方程，将温度进行空间插值，得到符合延安市地形特点的沟谷冷而山顶暖的最低温度空间分布，利用风险区划指标，得到延安市樱桃冬季低温冻害和春季花期冻害风险区划结果。

（4）虽然在进行风险区划时增加了许多加密区域站，但气象站的数量特别是北部山地温度观测站少，导致多元回归方程计算温度误差还比较大，影响风险区划结果。今后应通过临时增加观测数量和采用机器学习等方法提高温度插值精度，提供更加精细的樱桃低温冻害风险区划。

（5）分析得出黄河沿线的延长县、宜川县，以及延川县中东部、宝塔区东部，延安市南部的黄龙县、洛川县、黄陵县为樱桃低温冻害低风险区；甘泉县、富县，以及宝塔区西部、延川县中西部、子长市南部、安塞区南部为樱桃低温冻害中风险区；吴起县、志丹县，以及安塞区北部、子长市北部为低温冻害高风险区。