2013年黑龍江省春季低溫特征及對主要農(nóng)作物播種期的影響*

姜麗霞，王 萍，王冬冬，連 萍，吳 雙，張雪梅，閆 平，李秀芬**

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2013年黑龍江省春季低溫特征及對主要農(nóng)作物播種期的影響*

姜麗霞1，王 萍1，王冬冬2，連 萍3，吳 雙1，張雪梅4，閆 平1，李秀芬1**

（1．黑龍江省氣象科學(xué)研究所/中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實驗室/黑龍江省氣象院士工作站，哈爾濱 150030；2．黑龍江省氣象局機關(guān)服務(wù)中心，哈爾濱 150030；3．黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱 150030；4．哈爾濱市氣象臺，哈爾濱 150030）

黑龍江??；春季低溫；農(nóng)作物；播種期

氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響已經(jīng)成為國際研究的焦點問題[1]，其中的低溫影響問題更受到廣泛關(guān)注。低溫災(zāi)害對糧食生產(chǎn)影響巨大，中國東北地區(qū)1972年低溫災(zāi)害導(dǎo)致糧食比1971年減產(chǎn)約5×1010kg[2]，而對于歐亞大陸的東南亞山區(qū)，低溫已限制山谷和梯田的復(fù)種[3]，可見溫度高低對糧食生產(chǎn)的影響和限制性不容忽視。糧食生產(chǎn)始于春季，春季溫度更是直接影響作物播種和出苗，并最終關(guān)系到作物產(chǎn)量和品質(zhì)，此種溫度影響效應(yīng)在高緯度地區(qū)尤為突出[4?5]。作為中國最大的商品糧生產(chǎn)基地，東北地區(qū)糧食總產(chǎn)量占國家糧食總產(chǎn)量近20%，在保障國家糧食安全中占有舉足輕重的地位。但該區(qū)恰處于高緯度區(qū)域，春季極易發(fā)生低溫天氣，2013年即發(fā)生了典型的春季低溫，導(dǎo)致玉米、大豆等作物播種較常年普遍推遲5～15d，三省中黑龍江受影響最重[6?7]，可見高緯度區(qū)域的春季低溫對作物播種造成的巨大影響，因此，深入研究黑龍江省典型春季低溫的變化特征及其對主要糧食作物播種的影響，進而甄別影響作物播種的主要溫度因子及影響程度，對防災(zāi)減災(zāi)及優(yōu)化糧食種植格局具有寶貴的參考價值，在推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障國家糧食安全中具有重要的現(xiàn)實意義。

幾十年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者從不同角度對低溫及其影響開展了大量有價值的研究工作[8?16]，在低溫冷害致災(zāi)機理、時空特征、風(fēng)險評價、指標閾值、影響評估等方面取得了長足進展，各類研究得到了不斷完善、修正和更新。對于大宗作物，Bano等[17?18]研究指出，低溫是巴基斯坦春季玉米早期生長階段的一個嚴重威脅，換言之，不利的春季氣溫變化會導(dǎo)致玉米發(fā)芽延遲和出苗率降低[19]，并降低玉米生產(chǎn)力和產(chǎn)量穩(wěn)定性[20]。與玉米相比，水稻相對喜溫，因此，對低溫更為敏感[21]。Zhang等[22]研究表明，隨低溫處理溫度的升高，水稻秧苗新葉出生所需天數(shù)呈降低趨勢，這在一定程度說明低溫對水稻新葉抽出速度存在抑制作用，李秀芬等[23]開展的不同播期試驗進一步證明了播期推遲會造成水稻產(chǎn)量降低，而其根本原因在于水稻播期推遲造成灌漿期延后，致使灌漿期溫度低從而導(dǎo)致籽粒充實度下降。相關(guān)研究均指示了春季氣溫的負效應(yīng)作用，其主要表現(xiàn)為延遲農(nóng)作物發(fā)育期，嚴重時導(dǎo)致產(chǎn)量下降，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴重損失[24?26]。

黑龍江省境內(nèi)有松嫩平原和三江平原，兩大平原地勢平坦，土壤肥沃，令其具有明顯的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢，但其處于中國最北部，受高緯度的大陸性季風(fēng)氣候影響，該區(qū)春季氣溫變率大，且年際間多有震蕩，時常出現(xiàn)低溫天氣，2009?2014年黑龍江省即處于一個相對低溫期[4]，且2010年、2013年等年份的春季低溫均對作物播種和生育進程造成延遲影響[4，6]，備受政府和社會各界關(guān)注。然而，迄今為止，基于氣溫三因子詳細分析黑龍江省典型低溫變化特征及對糧食生產(chǎn)影響的報道卻仍較少見，因此，本研究利用1971?2016年資料，分析黑龍江省2013年典型春季低溫的變化趨勢及特征，探索低溫對作物播種期的影響，以期為糧食安全生產(chǎn)提供氣象參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

受作物觀測資料限制，同時為了最接近黑龍江省糧食生產(chǎn)實際情況，選取呼瑪、嫩江、龍江、海倫、慶安等28個農(nóng)業(yè)氣象觀測站作為研究站點，上述站點有18個站點觀測大豆，14個站點觀測玉米，6個站點觀測水稻，其中龍江、巴彥、哈爾濱等11站同時觀測2種作物（表1）。這些站點均勻分布在研究區(qū)，嫩江、雙城、巴彥、拜泉、五常、海倫、龍江、富錦等地糧食作物種植面積超過2.0×105hm2，其余站點也均在6.0×104hm2以上，具有較強代表性，能夠很好地反映糧食產(chǎn)區(qū)的氣候特征和生產(chǎn)特點。

研究資料包括上述站點1971?2016年3?5月逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫，各站有觀測記錄以來至2016年水稻、玉米和大豆發(fā)育期觀測數(shù)據(jù)，各站2013年的土壤濕度觀測數(shù)據(jù)，均來自黑龍江省氣象局。玉米、水稻和大豆發(fā)育期觀測資料按照中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》的要求進行，為保證資料的連續(xù)性，作物觀測保持了觀測方法的一致性，所觀測品種的熟期在研究期間基本保持一致，且耕作方式不變。

表1 研究區(qū)站點概況

1.2 研究方法

根據(jù)氣象學(xué)定義，考慮黑龍江省生產(chǎn)特點，確定春季時長為3?5月。常年指具有氣候意義的1981?2010年共30a的平均狀況。溫度因子選取平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫。

利用氣候統(tǒng)計方法，首先將研究區(qū)各站點1971? 2016年春季平均氣溫因子進行平均處理，得到各年平均氣溫的春季平均值，再將2013年與1971?2016年（2013年除外，下同）各年的春季平均值進行比較，獲取平均氣溫比較值，計算式為

將1971?2016年各年春季氣溫3個因子的逐日值與常年同期逐日值進行比較，計算式為

土壤水分適宜臨界值參照黑龍江省氣象局確定的土壤旱澇指標，即當土壤相對濕度≤70%，為土壤偏旱，70%～90%為土壤正常，＞90%為土壤偏濕。以SPSS statistics 17.0處理軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用線性氣候傾向率、統(tǒng)計回歸等方法，研究各因子的變化特征，分析溫度因子與作物播種期的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 2013年春季氣溫平均值偏低的特征

2.2 2013年春季氣溫日平均值偏低的特征

圖1 各站2013年春季氣溫因子（平均、最高、最低）平均值與1971?2016年各年差值（）的統(tǒng)計結(jié)果

注：矩形箱體代表集中50%的數(shù)據(jù)。

Note：The rectangular box body represents 50% of the data in the set.

表2 各站2013年春季溫度與各年差值（）序列線性變化趨勢（相關(guān)系數(shù)和變化傾向率）

注：*和**分別表示通過0.05和0.01水平的顯著性檢驗，?表示未通過顯著性檢驗。下同。

Note:*is P<0.05，**is P<0.01. – is no significance. The same as below.

圖2 2013年全區(qū)春季溫度因子日平均值與歷年日平均值差值（）的變化趨勢

圖3 1971?2016年各年春季全區(qū)平均氣溫因子低于常年平均值的日數(shù)（d）

2.3 2013年春季低溫對作物播種期的影響

圖4 2013年各站點春季逐日溫度低于平均值的總低溫日數(shù)（a）和最長連續(xù)低溫日數(shù)（b）

事實上，影響作物播種的氣象因素較多，已有研究表明，土壤水分條件也是影響作物播種的一個重要限制因素，土壤濕澇會導(dǎo)致旱田作物播種推遲[24，27?28]。為進一步探索2013年播種期延遲的可能原因，將土壤濕度引入分析。水稻播種在秧棚中進行，不受農(nóng)田土壤水分制約，因此僅對大豆和玉米進行分析。分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)90%以上站點2013年播種前期和播種期間旱田表層內(nèi)不同土層的土壤相對濕度在90%以上，土壤出現(xiàn)不同程度的內(nèi)澇現(xiàn)象，而研究區(qū)大豆和玉米播種均在自然條件下進行，一般不采取排濕等措施，因此，結(jié)合已有研究成果及不同作物的響應(yīng)來看，2013年研究區(qū)春播期間的土壤內(nèi)澇也可能對作物播種產(chǎn)生不利影響，而低溫與內(nèi)澇的疊加更是造成大豆和玉米遲播，這也可能是導(dǎo)致部分站點春季氣溫三個因子與播種期不存在相關(guān)關(guān)系的原因之一。

3 結(jié)論與討論

（1）將2013年春季氣溫三因子的低溫特征數(shù)據(jù)與1971?2016年各年數(shù)據(jù)進行比較，既凸顯了“點時間（2013年）”的春季氣溫偏低特征，也很好表達了“歷史序列”的春季氣溫的長序列變化，同時，引進3個氣溫因子，增強了溫度分析的全面性而不再是單一的平均氣溫，且氣溫與作物發(fā)育期關(guān)系的建立使本研究兼顧了氣象學(xué)和農(nóng)學(xué)意義。

表3 各站點2013年春季氣溫因子的與作物播種期的間的相關(guān)關(guān)系及＞0的年數(shù)統(tǒng)計

（3）從研究區(qū)2013年春季氣溫的日平均值來看，其偏低的突出特征表現(xiàn)為累計的低溫時間長，低溫出現(xiàn)時間集中。各因子偏低日數(shù)均在48d以上，超過整個春季日數(shù)的50%，其中最長連續(xù)偏低日數(shù)主要分布于3?4月，大部站點達到春季日數(shù)的20%以上，部分站點的日最高氣溫的低溫甚至持續(xù)1個月以上。

（5）一般來說，3?4月為黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)備春耕時期，其中4月尤為重要，備春耕是春播工作的主要環(huán)節(jié)，其進度快慢直接影響播種的進度，另外，春播前地溫回升速度以及土壤解凍快慢等均對春播存在重要影響。研究指出，春季持續(xù)低溫會造成地溫回升緩慢，凍土解凍偏晚，如若伴隨農(nóng)田土壤偏濕，則農(nóng)機具無法在田間作業(yè)，整地、備春耕工作均會受到阻礙，進而導(dǎo)致農(nóng)作物播種推遲[25，27]。2013年春季的低溫恰集中于3?4月，多數(shù)站點出現(xiàn)在3月中旬—4月下旬初的時間段里，連續(xù)的低溫抑制了地溫的回升，致使土壤解凍緩慢，加之土壤過濕，內(nèi)澇較重，在低溫的不利條件下又疊加內(nèi)澇的影響，造成無法適時備春耕，從而導(dǎo)致作物播種推遲。由此可見，黑龍江省春季3?4月的低溫與內(nèi)澇的疊加對作物適時播種影響較大，在農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)上應(yīng)給予重視。

（6）目前，黑龍江省糧食生產(chǎn)仍處于“靠天定年成”的階段，充分合理利用氣候資源、趨利避害、最大程度減低災(zāi)害影響是保障國家糧食安全的關(guān)鍵所在。因此，在氣候變化背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)作物生育特性及其對氣象條件的需求，充分考慮區(qū)域氣候特征以及區(qū)域性災(zāi)害問題，結(jié)合農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求，研究優(yōu)化作物種植格局。從本研究結(jié)果來看，三江平原的溫度變化較其它地區(qū)相對穩(wěn)定，適宜種植喜溫的水稻，玉米、大豆所需溫度條件相對冷涼，可考慮在松嫩平原和黑龍江省北部地區(qū)適當調(diào)整或增加種植面積。另外，未來氣候變化的模擬結(jié)果在不斷更新，在未來變化情景下，春季氣溫三個因子的分布規(guī)律、變化特征及對糧食生產(chǎn)的影響也有待進一步深入研究。

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Characteristics of Low Temperature in Spring and its Effect on Crops Seeding Dates in 2013 in Heilongjiang Province

JIANG Li-xia1, WANG Ping1, WANG Dong-dong2, LIAN Ping3, WU Shuang1, ZHANG Xue-mei4,YAN Ping1, LI Xiu-fen1

(1. Heilongjiang Province Institute of Meteorological Science/Innovation and Opening Laboratory of Regional Eco-Meteorology in Northeast, China Meteorological Administration/ Meteorological Academician Workstation of Heilongjiang Province, Harbin 150030, China; 2. Heilongjiang Meteorological Bureau Agency Service Center，Harbin 150030; 3. Heilongjiang Meteorological Data Center, Harbin 150030; 4. Harbin Meteorological Observatory, Harbin 150030)

Heilongjiang province; Spring low temperature; Crop; Seeding date

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.02.006

姜麗霞,王萍,王冬冬,等.2013年黑龍江省春季低溫特征及對主要農(nóng)作物播種期的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(2):114?125

2018?07?25

。E-mail：ge-2003@163.com

中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所區(qū)域合作項目（2018SYIAEHZ1）；國家自然科學(xué)基金項目（31671575；31671576）；黑龍江省氣象局科技項目（HQZC2016015）

姜麗霞（1972?），女，碩士，正研級高級工程師，主要從事應(yīng)用氣象和氣候資源研究。E-mail：jianglixia0326 @aliyun.com